光电经纬仪伺服系统动态高型控制

　　0　引言

　　III型系统是指系统有3个积分环节,动态III型是指动态时有3个积分环节,静态时没有(本系统静态时是I型系统,即只有1个积分环节),依次类推, II型就是有2个积分环节。动态III型系统是指系统动态时加入2个积分环节(或称为二阶高型系统),而静态时系统为I型系统[1]。二阶高型控制是指在动态时加了2个高型环节,和系统的静态型号没有关系,但增加了系统的动态型号。系统的积分环节多,跟踪误差就小,但是系统就越不稳定,因此研究如何加入动态高型,才成为一个研究课题,即同时保证系统的跟踪精度和稳定性。高型系统在传统的校正方法下很难稳定。随着计算机控制技术的发展,采用数字控制技术可以实现各种复杂控制,利用计算机实时监控系统的跟踪误差,根据误差大小改变积分策略,可以在保证系统稳定性的前提下提高跟踪精度[2]。高型方法在国外光电经纬仪和武器的跟踪瞄准系统中已有成功应用[3],而在国内的光电经纬仪中鲜有尝试。本文通过理论研究,Matlab下的仿真实验,讨论一动态III型光电跟踪系统的跟踪能力,为进一步的工程应用提供了理论与技术支持。

　　1　动态高型控制及其理论基础[4]

　　光电经纬仪伺服跟踪系统通常被视为单输入单输出系统(SISO),但是,现代控制理论认为,增加系统的输入向量(即控制向量)维数可以增强对系统的控制能力。因此,当对其输入向量进行扩展时,可以使其成为双输入单输出系统(DISO)如图1所示。

　　用传递函数法求该系统的外特性,得到如下的关系式

　　根据扩展输入H的理想表达式,最自然的想法是从原始输入量U处引入前馈构成复合控制。动态高型在形式上等同于积分分离的PI控制器,按经典的PID控制的解释,积分环节提高了系统的无差度,从而提高系统的稳态精度。根据图2,扩展输入H的理想表达式出发,可以作如下近似推导:Hi为H的离散表示,i=0, 1, 2,…;Δj为脱靶量的离散表示,j=0, 1, 2,…;U为系统原始输入量,在采样时间T很小时,认为恒定不变。

　　令H₀=0

　　由离散形式的推导,最后得到一个非常好的结果:电视脱靶量的积分是扩展输入H的理想表达式的良好近似。

　　2　二阶动态高型控制及其仿真研究[5]

　　Simulink下光电经纬仪伺服控制系统的仿真模型如图3所示。其中二阶高型控制(即动态时引入两个积分环节)如图4所示。动态时系统为III型(3个积分环节)。

　　2. 1　电视采样-预测环节

　　电视跟踪器由CCD摄像机和信号处理电路组成[6],是一个误差检测元件,其数学模型包括一个有限视场的比例环节,一个时滞环节和一个采样保持环节。电视跟踪器对系统动态性能的破坏很明显。比例环节为电视跟踪器的增益KTV(V/(°)),时滞环节e-ts,t为从采样时刻到送出脱靶量的时间延迟。在实际系统中,由于图像建立,扫描处理以及传输等多种原因,电视脱靶量的延迟一般为一帧到两帧。