0.68m地面跟踪望远镜的跟踪控制技术

　　1　概　述

　　跟踪望远镜用于对目标的跟踪、精密定轨和光度测量,为识别目标提供角度和光度数据。跟踪望远镜主机为一地平式二轴机架,其上安装两个镜筒,四种探测器,分别用于白天、晚上对目标进行搜索捕获、闭环跟踪、轨道测量和光度测量。跟踪望远镜主机的二轴机架分别由方位、高低两套相互独立又相互配合的伺报控制系统控制,以在一定的精度范围内搜索跟踪空中有效目标。两机架均采用力矩电机同轴驱动,方位、高低两控制系统的基本结构相同,是带有速度内回路的双闭环、双采样频率的控制系统。

　　2　控制技术

　　2.1　速度回路的校正补偿

　　速度回路的幅频特性曲线设计为在低频段以-20dB的斜率下降,这样,速度回路的增益低一些,系统误差会大一些,但却可以提高跟踪的平稳性,减小两帧间误差的变化率。图1给出了跟踪望远镜在速度v=5rad/s的等速引导下,系统采样频率为15Hz时的跟踪误差曲线,满足系统对速度平稳性的要求。

　　2.2　变形PID控制算法

　　PID控制是过程控制中应用最广泛的一种,而且,用计算机实现PID控制的算法也相应地在发展,出现了非线性PID,选择性PID-PD控制以及增益自适应PID算法等。在该跟踪望远镜的控制系统中采用变增益变形PID算法,效果很好。因为,在一般的PID控制方式中,在开始或停止工作瞬间,或在大幅度的给定量时,由于偏差较大,如果采用能满足精度要求的高增益控制,会影响系统的稳定性,而全速积分项的作用将会使系统产生一个很大的超调,使调节时间过长。根据上述分析,我们采用可变增益的、微积分分离的分段PID控制手段,即按偏差的大小,分成几段编写控制算法,每一段里的增益、积分、微分参数均可改变。时域内PID的基本算式为

　　在跟踪望远镜的控制系统中,综合采用分段变速积分的PID算法,用等效正弦函数A=A0+144°×sin(0.083t)引导0.68m跟踪望远镜机架运转,跟踪望远镜捕获跟踪的过渡过程曲线如图2所示。

　　从图2所示曲线可见,跟踪望远镜的捕获平滑、无过冲。与用一般PID算法相比,大大减小了超调量,系统更容易稳定,跟踪精度也可以作得更高。参数整定容易,各参数间的相互影响减小了,系统并不要求Δe1、Δe2两参数很精确,根据系统要求的误差范围很容易确定Δe1、Δe2的值。

　　2.3　速度前馈技术

　　在该控制系统中,速度前馈是提高精度的另一有效技术。控制系统中设计一个位置反馈环,而它正是跟踪环,目的是把位置跟踪误差e(k)减小到一个允许的值。在跟踪位置环稳定的情况下,常通过提高开环增益来实现,但增益过高,会影响系统的稳定性。速度前馈是既不影响系统稳定性而又能提高跟踪精度的有效方法,因为速度前馈的控制函数不在环内,所以,不会降低环的稳定性。图3为加入速度前馈的的控制系统原理框图。系统不加速度前馈时的闭环传递函数为