改善光电经纬仪动态跟踪性能的模糊PID技术

　　光电经纬仪系统是一种广泛应用于航空、航天及军事领域的高精度跟踪定位测量系统。为了有效跟踪目标,一般采用内环控制速度、外环控制位置的双环控制系统。由于跟踪目标(如飞机、导弹等)种类繁杂、机动性强、背景复杂等特点,特别是在目标突然转向以及飞行状态发生较大变化时,传统的频率特性控制方法失效,导致目标丢失或系统失调等[1]。为了克服这一弊端,提出一种将模糊控制与PID控制、频率特性相结合的模糊PID控制方法。利用模糊控制对系统的输入响应快、过渡过程短和对参数不敏感的特性,使跟踪系统既有较高的位置精度,又有快速捕获目标的动态特性,以实现对复杂动态目标的快速跟踪。

　　1　光电经纬仪伺服控制系统结构

　　图1为光电经纬仪伺服控制系统结构框图。跟踪控制系统根据目标脱靶量的大小分别经位置环和速度环控制系统的位置和速度,使系统脱靶量为零,准确跟踪目标。其脱靶量由电视跟踪器给出,经数字滤波后进入模糊处理和频率特性校正环节,模糊处理环节又与数字PID相结合,它们构成系统的位置校正网络。当系统工作在稳态时自动切换到频率特性校正环节,而当系统发生突变(输入误差或误差变化率较大)时转换到模糊处理环节。位置回路的校正量经放大后进入速度环,以驱动力矩电机、拖动方位和俯仰轴跟踪目标。

　　要求随动跟踪的系统误差:δ≤2′;随机误差:б≤20″;最大角速度:θ·=60°/s,保精度最大跟踪角速度为θ·=30°/s;最大角加速度θ¨=60°/s2,保精度最大跟踪角加速度为θ¨=10°/s2。经用HP35622A频响分析仪测得系统固有特性的幅频和相频对数特性曲线并分析计算,电机的传递函数为机械谐振角频率为ω=22. 3 (rad/s)。

　　对位置回路的要求是系统必须满足控制系统的主要技术性能指标。从控制的角度出发,就是要求系统具有良好的动态响应和较高的跟踪精度,因此对系统的带宽有一定的要求。开环截止频率ωc应满足:

　　2　模糊PID控制算法

　　光电经纬仪要求跟踪控制系统具有较高的位置控制精度和快速捕获目标的能力。快速的捕获能力意味着控制系统对阶跃输入的响应要快,过渡过程要短,系统带宽要宽;较高的位置控制精度意味着系统稳态误差要小,而两者之间将会产生一些矛盾。快速响应可能引入系统超调,宽带宽势必引入高频噪声,降低系统稳定裕度,从而影响控制精度。将模糊控制引入PID控制器,既能有较高的控制精度又具有较快的响应速度。

　　模糊PID控制器的结构框图如图2所示。它是以误差e和误差变化率ec=de(t) /dt为输入的二维模糊控制器, e=r-y,其中r是输入信号; y是输出信号。根据e和ec的变化随时调节PID参数,使PID控制既能利用模糊控制方法有效地克服系统过渡过程的非线性,又能利用一般PID控制方法在系统线性段准确跟踪目标。模糊控制规则是根据大量试验积累的控制知识、速度环所提供的信息以及目标运动趋势而设立的。根据控制规则,经过一系列的模糊运算,模糊推理,形成模糊决策表。实际跟踪测量时,只需根据输入e和ec进行模糊化,通过查表确定PID的系数增量ΔkP,ΔkI,ΔkD,完成对系统的模糊控制[2]。