光電跟蹤伺服轉(zhuǎn)臺控制技術(shù)＊

（中國電子科技集團(tuán)公司第27研究所 鄭州 450047）

1 引言

伴隨精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的不斷發(fā)展和戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)的更新?lián)Q代，美歐等西方發(fā)達(dá)國家紛紛把發(fā)展精確制導(dǎo)武器的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了防區(qū)外中遠(yuǎn)程精確打擊武器之上［1］。發(fā)展“大功率激光對抗武器系統(tǒng)”不但可以使我軍現(xiàn)有的激光對抗裝備干擾精度和干擾距離得到大幅度的提高，而且可有效對抗中遠(yuǎn)程精確打擊武器這一新的作戰(zhàn)目標(biāo)，也可初步具備近距離損傷傳感器的能力，能在對付具有較強(qiáng)抗干擾能力的采用新型紅外焦平面成像器件的精確制導(dǎo)武器方面發(fā)揮更大的作用。

在光電對抗裝備中，精密捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著相當(dāng)重要的角色，它與一般光電測量系統(tǒng)的區(qū)別在于，它不僅要求將運(yùn)動目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤在規(guī)定視場內(nèi)，而且要求將光束鎖定在目標(biāo)某一點(diǎn)上，一般要求跟蹤精度小于經(jīng)擴(kuò)束后的激光發(fā)散角的16．7%～20%。在這樣的高精度下，大氣湍流、地基振動等影響是不可忽略的［2］。一般光電測量系統(tǒng)中的大慣量單軸跟蹤架由于結(jié)構(gòu)諧振頻率的限制，不可能有足夠的帶寬對其校正，于是引入復(fù)合軸控制，即采用具有高諧振頻率結(jié)構(gòu)的復(fù)合軸系統(tǒng)分粗跟蹤和精跟蹤來實(shí)現(xiàn)角秒級的效果［3］。此外，采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器的電機(jī)，它具有轉(zhuǎn)動慣量小、輸出力矩大、行程范圍大、響應(yīng)快等特點(diǎn)，使子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，體積、慣量大幅度下降，摩擦力矩減小，諧振頻率更高，響應(yīng)速度更快。本文在理論分析的基礎(chǔ)上，對光電跟蹤轉(zhuǎn)臺進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，得到了優(yōu)良的效果。

2 光電跟蹤系統(tǒng)組成

典型的光電控制系統(tǒng)包括以下幾個部分：精密跟蹤轉(zhuǎn)臺設(shè)備、目標(biāo)探測設(shè)備、跟蹤控制設(shè)備、智能管理設(shè)備和電氣連接與配電設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1）ARM9控制器

ARM（Advanced RISK Machine），于1985年在劍橋的Acorn 計算機(jī)公司誕生［4］。ARM 包含眾多系列的產(chǎn)品，其具有高性能、低功耗和低成本等顯著優(yōu)點(diǎn)，是嵌入式處理器中應(yīng)用最為廣泛的一個系列，本設(shè)計系統(tǒng)使用ARM9微處理器系列。

ARM9系列處理器在高性能和低功耗方面提供最佳的性能，采用五級整數(shù)流水線，提供1．1MIPS／MHz的哈佛結(jié)構(gòu)，支持32位的高速AMBA 總線接口。提供全性能內(nèi)存管理單元（MMU），支持WindowsCE、Linux、Palm OS等多種嵌入式操作系統(tǒng)。

2）PWM 功率驅(qū)動

由于直流電動機(jī)要求工作在正反轉(zhuǎn)的場合，本系統(tǒng)采用雙極性驅(qū)動的可逆PWM 系統(tǒng)，選擇體積小、功率大集成驅(qū)動電路、功放電路、過電壓電流檢測及熱過載保護(hù)電路的SA03作為功率驅(qū)動器件，ARM9的定時計數(shù)器比較單元根據(jù)軟件控制算法計算出PWM 控制量，輸出一定頻率的調(diào)寬波，由輸出引腳GPIO0 經(jīng)光耦6N137 給至SA03 的＋PWM 引腳。將SA03 的保護(hù)電機(jī)的引腳接入CPLD，同時接入CPLD 的還有ARM9 停止信號、ARM9運(yùn)行信號，瞄準(zhǔn)鏡機(jī)械位置的上限和下限信號，在CPLD 中編寫相應(yīng)的保護(hù)邏輯電路，以避免程序運(yùn)行死鎖或跑飛導(dǎo)致負(fù)載電機(jī)飛車。

3 轉(zhuǎn)臺控制策略

控制系統(tǒng)設(shè)計中重要的一個環(huán)節(jié)就是要選定控制系統(tǒng)的控制方法［5］。一般情況下，一個控制系統(tǒng)可有多種技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，控制方法不存在哪一個是最好的，只有穩(wěn)定可靠的，適應(yīng)系統(tǒng)性能要求的才是最好的設(shè)計。常用的光電跟蹤控制系統(tǒng)包括復(fù)合控制、共軸跟蹤、智能控制等［6］。

3．1 復(fù)合控制

復(fù)合控制是在一般目標(biāo)位置偏差控制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)目標(biāo)速度控制的雙變量控制系統(tǒng)，它是一種開閉環(huán)控制系統(tǒng)，即目標(biāo)位置偏差控制采用閉環(huán)控制，目標(biāo)速度控制采用開環(huán)控制。

3．2 共軸跟蹤控制

共軸跟蹤是計算機(jī)技術(shù)與復(fù)合控制技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的一種新思想［7］。它分成兩部分，一部分由計算機(jī)接收傳感器的測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波、預(yù)測，提供準(zhǔn)確的角位置、角速度等信息；另一部分完成伺服驅(qū)動任務(wù)，以第一部分輸出的角位置信號為輸入，以角速度及高階導(dǎo)數(shù)信號為輔助輸入，構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)，引導(dǎo)光電跟蹤設(shè)備跟蹤目標(biāo)。

共軸跟蹤的關(guān)鍵是濾波預(yù)測技術(shù)，預(yù)測目標(biāo)位置、速度和加速度等運(yùn)動狀態(tài)量。常用的濾波技術(shù)有多種，有限記憶最小平方濾波、α、β、γ濾波、自適應(yīng)濾波和kalman濾波等。

圖2 共軸系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)圖

3．3 智能控制

智能控制是自動控制理論發(fā)展里程中的一個嶄新階段。首先，它突破了傳統(tǒng)控制理論中必須基于數(shù)學(xué)模型的框架，其次它繼承了人腦思維的非線性，智能控制器也具有非線性特征［8］。傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)的控制策略是固定不變的，為了獲得良好的控制性能，控制器必須根據(jù)控制系統(tǒng)的動態(tài)特征不斷地改變或調(diào)整控制策略，從而使控制器本身的控制規(guī)律適應(yīng)于控制系統(tǒng)的要求。

4 轉(zhuǎn)臺控制關(guān)鍵技術(shù)

4．1 非線性規(guī)范模型跟蹤控制

仿真結(jié)果表明：在PI調(diào)節(jié)＋滯回控制系統(tǒng)（HYS）控制的交流電機(jī)速度控制系統(tǒng)中保持控制對象的參數(shù)不變，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、無超調(diào)的良好響應(yīng)，參數(shù)若變化，系統(tǒng)響應(yīng)就會惡化。而采用非線性規(guī)范模型的跟蹤控制，可有效抑制參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。

非線性規(guī)范模型跟蹤控制系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 非線性規(guī)范模型跟蹤控制系統(tǒng)原理圖

4．2 模糊自適應(yīng)PID 控制器

在復(fù)雜控制系統(tǒng)中，由于被控對象的時變性、非線性和不確定性，傳統(tǒng)PID 控制難以取得很好的控制效果，而模糊控制對數(shù)學(xué)模型的依賴性弱，不需要建立過程的精確數(shù)學(xué)模型［9］。因此將模糊控制策略和傳統(tǒng)PID 控制相結(jié)合的模糊自適應(yīng)PID，使系統(tǒng)具有模糊控制的靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID 控制精度高的優(yōu)勢。

自適應(yīng)模糊PID 控制器以誤差和誤差變化率作為輸入，可以滿足不同時刻的和對PID 參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對PID 參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID 控制器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模糊自適應(yīng)控制器結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)模糊控制器可以通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

1）模糊化

所設(shè)計的模糊控制器采用雙輸入單輸出形式，輸入為誤差E、誤差變化EC，輸出量為U，它們分別是實(shí)際速度跟蹤誤差e，誤差變化ec和輸出控制電壓u的模糊語言變量。

實(shí)際變量表示為

其中ωR（k）、ωL（k）分別為k時刻給定參考值和實(shí)際值，f（e（k）、ec（k））表示輸入與輸出關(guān)系函數(shù)。考慮到在實(shí)際系統(tǒng)中變量的不對稱情況，設(shè)e、ec和u的實(shí)際變化范圍（即基本論域）為［emin，emax］、［ecmin，ecmax］及［umin，umax］，其歸一化模糊論域?yàn)椋?3，3］，論域正規(guī)化變換公式為［10］

其中ke、kec為輸入變量量化因子，ku為輸出變量比例因子。

2）模糊推理

E、EC和U均采用相同的模糊子集｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，其隸屬函數(shù)如圖5所示，采用對稱、均勻分布、全交迭的三角形形式。

圖5 成員隸屬函數(shù)

應(yīng)用常規(guī)模糊條件和模糊關(guān)系“IF Ai and Bi THEN Ci”形式建立的模糊規(guī)則如表1所示。根據(jù)Mamdani的min-max推理法則，可得出采用加權(quán)平均解模糊化的模糊控制輸出為［11］

3）清晰化過程

故實(shí)際控制輸出量：

模糊控制屬于智能控制的范疇。單純地將一個模糊控制器用于高精度伺服驅(qū)動系統(tǒng)并不能得到十分滿意的性能，只有和其他控制方法（如非線性規(guī)范模型跟蹤控制等）相結(jié)合才能得到優(yōu)良的性能。

4．3 試驗(yàn)結(jié)果

表1 伺服系統(tǒng)跟蹤精度

用階躍信號、三角波信號和正弦信號作為系統(tǒng)輸入信號測試伺服系統(tǒng)的性能。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)靜態(tài)誤差小，穩(wěn)態(tài)精度高，對含有加速度和加加速度信號的正弦信號的跟蹤誤差也滿足指標(biāo)要求。系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能，并具有很好的實(shí)時性和較好的可靠性。

5 結(jié)語

本文依據(jù)光電跟蹤伺服系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)踐，闡述了伺服轉(zhuǎn)臺的功能及其發(fā)揮的重要作用。介紹了系統(tǒng)使用的處理器系統(tǒng)和控制細(xì)節(jié)。分別詳細(xì)說明了交流伺服電機(jī)的工作原理和內(nèi)容。脈沖寬度調(diào)制PWM 的電機(jī)驅(qū)動方式，可以完成對伺服系統(tǒng)的速度控制要求，能有效地響應(yīng)系統(tǒng)的跟蹤時間，滿足了系統(tǒng)的需求。帶增量式的PID 控制策略使系統(tǒng)獲得了較高的跟蹤精和優(yōu)良的動態(tài)品質(zhì)，系統(tǒng)工作指標(biāo)完全滿足要求。

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