基于内模控制的CCD像机消旋控制器

    引 言

    在机载电视激光摄像与瞄准系统中,电视激光摄像框架的横滚运动引起光学系统和成像器件相对载机的运动,造成图像的旋转,影响飞行员的正常观察和操作,所以对成像器件目标图像的消旋就显得十分重要。

    采用经典频域理论的滞后-超前校正对系统进行设计,虽然能达到一定效果,但还存在一些未解决的问题。例如存在速度超调,对系统中存在的不规则干扰力矩及模型不确定性的抑制能力较弱等。

    基于对以上问题的考虑,拟采用改进的内模控制方法。

    1 消旋控制系统

    图像消旋技术[1]有3种:光学消旋、物理消旋和电子消旋[2]。光学消旋应用于成像器件较大的红外成像系统中;电子消旋是利用图像处理软件对组成图像的每个元素进行消旋处理,对DSP (Digital SignalPrescessor)的处理速度及实时性要求较高;物理消旋是直接采用驱动元件比如电机来驱动像机以旋正图像,适用于质量小的成像系统。由于采用CCD (Charge Coupled Devices)像机,质量很小,适于采用物理消旋的方法。

    本文中的消旋控制系统(原理参见图1)以成像器件相对载机偏转角Hi作为消旋角输入量,光电轴角编码器作为测角元件,来检测与成像器件轴连的消旋电机的角位置;系统利用软件对该角位置进行差分处理得到速度值。执行电机为一力矩电机,该电机与CCD像机直接轴连。整个系统以消旋指令角为依据,通过校正运算,推出调宽波,以控制力矩电机带动CCD像机快速稳定地达到消旋指令角位置,从而实现图像消旋。

    2 改进的内模控制方法

    典型内模控制[3~5]系统一般结构如图2所示。图中,P为控制对象,PM为对象模型,r,u,y分别为给定输入、控制量和输出;C为内模控制器,R为参考输入滤波器,F为反馈滤波器。但在实际应用中,图2的内模控制结构中C(s)的理想控制器的设计方法C=1PN常常难以实现。因为PN分母多项式的次数高于分子,取其倒数后则在实际中不可实现,这样内模控制结构中的理想控制器特性和零稳态误差特性则很难得以应用。

    在此提出一种改进形式的内模控制模型[6](见图3),在该结构中,既含有被控对象模型本身的闭环反馈形式,也加入了直接针对模型误差及外界干扰的滤波反馈;既保留了经典反馈控制本身能抑制环内扰动的优良特点,又增加了对存在模型误差及外界干扰抑制的进一步措施。即使将实际对象输出和模型输出之差的反馈环节取常数1,也具有对误差的抑制功能。反馈滤波器的设计还可根据实际中存在的具体情况有针对性地进行设计,以保证系统的鲁棒性。该设计实用方便,其中反馈滤波器的设计具有更加直观的物理意义。