变焦镜系统的闭环控制

    引 言

    一些精密光机电装置中需使用精密变焦光学镜头。变焦镜光电系统有开环控制和闭环控制两种[1]。开环控制采用步进电动机作为执行元件，系统结构、控制原理和调试方法都比较简单，使用方便[2]。但步进电动机输出力矩小，当负载惯量和力矩较大时，系统响应速度明显下降，应用上受到相应的限制[3]。本文介绍的闭环控制方案采用直流力矩电动机作为执行元件，在负载惯量较大，扰动力矩变化较大的情况下，仍具有响应速度快、动态精度高的优点。

    针对实际变焦镜伺服系统，介绍了所采用的闭环控制方案，详细讨论了线性控制器和动态矩阵控制器两种设计方法，对两者的性能和抗干扰能力进行了比较，并指出了它们各自的适用范围。

    1 变焦镜系统的机械结构

    变焦镜安装在金属圆筒内。采用直流力矩电动机驱动齿型带，带动凸轮机构使镜片作直线运动，实现连续变焦。采用精密电位器作为位置反馈元件,直流测速发电机作反馈补偿元件。直流力矩电动机、直流测速发电机、电位器安装在同一轴上。

    2 控制方案与控制元件

    变焦镜系统的机械装置转动惯量和摩擦力矩都较大且变化大，要求精度高、响应速度快、运行平稳，所以采用位置闭环控制方案。

    系统中存在参数不准确、扰动力矩不完全确定等非线性因素和不确定因素，为了满足高精度要求，除经典串联补偿外，采用直流测速发电机作为反馈补偿元件，可明显抑制上述不利因素对系统精度的影响[1]。

    位置反馈测量元件采用精密导电塑料电位器。该元件信号处理简单，分辨率高，使用寿命长[3]。执行元件采用永磁直流力矩电动机，转矩大，低速平稳性好，动态响应快，并能在堵转状态下长期工作[3]。变焦镜系统的输入信号形式比较复杂，采用单片机实现输入信号和主要控制算法。

    电机电枢电流较小，采用线性功率放大器。系统的结构框图见图1。

    3 控制器设计

    下面讨论经典的线性控制和动态矩阵控制两种方法。

    3.1 线性控制法

    图 2 为变焦系统动态框图。图中，G0(s)表示控制对象(包括电机)的传递函数，电枢压是输入量，角速度是输出量；H0是速度反馈补偿的系数；G1代表速度环内的补偿网络及功率放大器；G2代表速度到角位移的积分环节，并包括未建模的小时间常数的惯性环节；K0是放大系数；Gc是串联补偿器，且 Gc(0)=1；H1是主反馈系数；Tc是扰动，与转轴上的扰动力矩成比例；R(s)是参考输入。要求系统阶跃响应时，动态过程时间ts≤0.1s，最大超调σp≤10%。对于本系统，根据参数计算得