光電跟蹤伺服轉臺控制技術＊

（中國電子科技集團公司第27研究所 鄭州 450047）

1 引言

伴隨精確制導武器系統(tǒng)的不斷發(fā)展和戰(zhàn)略戰(zhàn)術的更新?lián)Q代，美歐等西方發(fā)達國家紛紛把發(fā)展精確制導武器的重點轉向了防區(qū)外中遠程精確打擊武器之上［1］。發(fā)展“大功率激光對抗武器系統(tǒng)”不但可以使我軍現(xiàn)有的激光對抗裝備干擾精度和干擾距離得到大幅度的提高，而且可有效對抗中遠程精確打擊武器這一新的作戰(zhàn)目標，也可初步具備近距離損傷傳感器的能力，能在對付具有較強抗干擾能力的采用新型紅外焦平面成像器件的精確制導武器方面發(fā)揮更大的作用。

在光電對抗裝備中，精密捕獲、跟蹤、瞄準系統(tǒng)擔負著相當重要的角色，它與一般光電測量系統(tǒng)的區(qū)別在于，它不僅要求將運動目標穩(wěn)定跟蹤在規(guī)定視場內，而且要求將光束鎖定在目標某一點上，一般要求跟蹤精度小于經(jīng)擴束后的激光發(fā)散角的16．7%～20%。在這樣的高精度下，大氣湍流、地基振動等影響是不可忽略的［2］。一般光電測量系統(tǒng)中的大慣量單軸跟蹤架由于結構諧振頻率的限制，不可能有足夠的帶寬對其校正，于是引入復合軸控制，即采用具有高諧振頻率結構的復合軸系統(tǒng)分粗跟蹤和精跟蹤來實現(xiàn)角秒級的效果［3］。此外，采用旋轉變壓器作為位置傳感器的電機，它具有轉動慣量小、輸出力矩大、行程范圍大、響應快等特點，使子系統(tǒng)結構更緊湊，體積、慣量大幅度下降，摩擦力矩減小，諧振頻率更高，響應速度更快。本文在理論分析的基礎上，對光電跟蹤轉臺進行了仿真和實驗，得到了優(yōu)良的效果。

2 光電跟蹤系統(tǒng)組成

典型的光電控制系統(tǒng)包括以下幾個部分：精密跟蹤轉臺設備、目標探測設備、跟蹤控制設備、智能管理設備和電氣連接與配電設備。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1）ARM9控制器

ARM（Advanced RISK Machine），于1985年在劍橋的Acorn 計算機公司誕生［4］。ARM 包含眾多系列的產(chǎn)品，其具有高性能、低功耗和低成本等顯著優(yōu)點，是嵌入式處理器中應用最為廣泛的一個系列，本設計系統(tǒng)使用ARM9微處理器系列。

ARM9系列處理器在高性能和低功耗方面提供最佳的性能，采用五級整數(shù)流水線，提供1．1MIPS／MHz的哈佛結構，支持32位的高速AMBA 總線接口。提供全性能內存管理單元（MMU），支持WindowsCE、Linux、Palm OS等多種嵌入式操作系統(tǒng)。

2）PWM 功率驅動

由于直流電動機要求工作在正反轉的場合，本系統(tǒng)采用雙極性驅動的可逆PWM 系統(tǒng)，選擇體積小、功率大集成驅動電路、功放電路、過電壓電流檢測及熱過載保護電路的SA03作為功率驅動器件，ARM9的定時計數(shù)器比較單元根據(jù)軟件控制算法計算出PWM 控制量，輸出一定頻率的調寬波，由輸出引腳GPIO0 經(jīng)光耦6N137 給至SA03 的＋PWM 引腳。將SA03 的保護電機的引腳接入CPLD，同時接入CPLD 的還有ARM9 停止信號、ARM9運行信號，瞄準鏡機械位置的上限和下限信號，在CPLD 中編寫相應的保護邏輯電路，以避免程序運行死鎖或跑飛導致負載電機飛車。

3 轉臺控制策略

控制系統(tǒng)設計中重要的一個環(huán)節(jié)就是要選定控制系統(tǒng)的控制方法［5］。一般情況下，一個控制系統(tǒng)可有多種技術途徑實現(xiàn)系統(tǒng)性能指標要求，控制方法不存在哪一個是最好的，只有穩(wěn)定可靠的，適應系統(tǒng)性能要求的才是最好的設計。常用的光電跟蹤控制系統(tǒng)包括復合控制、共軸跟蹤、智能控制等［6］。

3．1 復合控制

復合控制是在一般目標位置偏差控制的基礎上，引進目標速度控制的雙變量控制系統(tǒng)，它是一種開閉環(huán)控制系統(tǒng)，即目標位置偏差控制采用閉環(huán)控制，目標速度控制采用開環(huán)控制。

3．2 共軸跟蹤控制

共軸跟蹤是計算機技術與復合控制技術結合產(chǎn)生的一種新思想［7］。它分成兩部分，一部分由計算機接收傳感器的測量數(shù)據(jù)，進行濾波、預測，提供準確的角位置、角速度等信息；另一部分完成伺服驅動任務，以第一部分輸出的角位置信號為輸入，以角速度及高階導數(shù)信號為輔助輸入，構成復合控制系統(tǒng)，引導光電跟蹤設備跟蹤目標。

共軸跟蹤的關鍵是濾波預測技術，預測目標位置、速度和加速度等運動狀態(tài)量。常用的濾波技術有多種，有限記憶最小平方濾波、α、β、γ濾波、自適應濾波和kalman濾波等。

圖2 共軸系統(tǒng)控制機構圖

3．3 智能控制

智能控制是自動控制理論發(fā)展里程中的一個嶄新階段。首先，它突破了傳統(tǒng)控制理論中必須基于數(shù)學模型的框架，其次它繼承了人腦思維的非線性，智能控制器也具有非線性特征［8］。傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)的控制策略是固定不變的，為了獲得良好的控制性能，控制器必須根據(jù)控制系統(tǒng)的動態(tài)特征不斷地改變或調整控制策略，從而使控制器本身的控制規(guī)律適應于控制系統(tǒng)的要求。

4 轉臺控制關鍵技術

4．1 非線性規(guī)范模型跟蹤控制

仿真結果表明：在PI調節(jié)＋滯回控制系統(tǒng)（HYS）控制的交流電機速度控制系統(tǒng)中保持控制對象的參數(shù)不變，能夠實現(xiàn)快速、無超調的良好響應，參數(shù)若變化，系統(tǒng)響應就會惡化。而采用非線性規(guī)范模型的跟蹤控制，可有效抑制參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。

非線性規(guī)范模型跟蹤控制系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 非線性規(guī)范模型跟蹤控制系統(tǒng)原理圖

4．2 模糊自適應PID 控制器

在復雜控制系統(tǒng)中，由于被控對象的時變性、非線性和不確定性，傳統(tǒng)PID 控制難以取得很好的控制效果，而模糊控制對數(shù)學模型的依賴性弱，不需要建立過程的精確數(shù)學模型［9］。因此將模糊控制策略和傳統(tǒng)PID 控制相結合的模糊自適應PID，使系統(tǒng)具有模糊控制的靈活性和適應性強的優(yōu)點，又具有PID 控制精度高的優(yōu)勢。

自適應模糊PID 控制器以誤差和誤差變化率作為輸入，可以滿足不同時刻的和對PID 參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對PID 參數(shù)進行修改，便構成了自適應模糊PID 控制器，其結構如圖4所示。

圖4 模糊自適應控制器結構

自適應模糊控制器可以通過以下步驟實現(xiàn)：

1）模糊化

所設計的模糊控制器采用雙輸入單輸出形式，輸入為誤差E、誤差變化EC，輸出量為U，它們分別是實際速度跟蹤誤差e，誤差變化ec和輸出控制電壓u的模糊語言變量。

實際變量表示為

其中ωR（k）、ωL（k）分別為k時刻給定參考值和實際值，f（e（k）、ec（k））表示輸入與輸出關系函數(shù)。考慮到在實際系統(tǒng)中變量的不對稱情況，設e、ec和u的實際變化范圍（即基本論域）為［emin，emax］、［ecmin，ecmax］及［umin，umax］，其歸一化模糊論域為［-3，3］，論域正規(guī)化變換公式為［10］

其中ke、kec為輸入變量量化因子，ku為輸出變量比例因子。

2）模糊推理

E、EC和U均采用相同的模糊子集｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，其隸屬函數(shù)如圖5所示，采用對稱、均勻分布、全交迭的三角形形式。

圖5 成員隸屬函數(shù)

應用常規(guī)模糊條件和模糊關系“IF Ai and Bi THEN Ci”形式建立的模糊規(guī)則如表1所示。根據(jù)Mamdani的min-max推理法則，可得出采用加權平均解模糊化的模糊控制輸出為［11］

3）清晰化過程

故實際控制輸出量：

模糊控制屬于智能控制的范疇。單純地將一個模糊控制器用于高精度伺服驅動系統(tǒng)并不能得到十分滿意的性能，只有和其他控制方法（如非線性規(guī)范模型跟蹤控制等）相結合才能得到優(yōu)良的性能。

4．3 試驗結果

表1 伺服系統(tǒng)跟蹤精度

用階躍信號、三角波信號和正弦信號作為系統(tǒng)輸入信號測試伺服系統(tǒng)的性能。試驗結果如表1所示。從試驗結果可以看出，系統(tǒng)靜態(tài)誤差小，穩(wěn)態(tài)精度高，對含有加速度和加加速度信號的正弦信號的跟蹤誤差也滿足指標要求。系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能，并具有很好的實時性和較好的可靠性。

5 結語

本文依據(jù)光電跟蹤伺服系統(tǒng)的設計實踐，闡述了伺服轉臺的功能及其發(fā)揮的重要作用。介紹了系統(tǒng)使用的處理器系統(tǒng)和控制細節(jié)。分別詳細說明了交流伺服電機的工作原理和內容。脈沖寬度調制PWM 的電機驅動方式，可以完成對伺服系統(tǒng)的速度控制要求，能有效地響應系統(tǒng)的跟蹤時間，滿足了系統(tǒng)的需求。帶增量式的PID 控制策略使系統(tǒng)獲得了較高的跟蹤精和優(yōu)良的動態(tài)品質，系統(tǒng)工作指標完全滿足要求。

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