光电跟踪伺服系统性能的提高研究

. . 装订线. . . 山东农业大学毕 业 论 文光电跟踪伺服系统性能的提高研究院 部 机械与电子工程学院 专业班级 届 次 学生姓名 学 号 指导教师 年月日iv目 录摘 要. IAbstract11 绪论21.1光电跟踪伺服控制系统简介21.2伺服系统的概念及其基本要求21.2.1伺服系统的概念21.2.2伺服系统的基本要求21.3光电跟踪伺服系统原理21.4光电跟踪伺服系统的国内外发展状况21.5论文主要研究内容及意义21.5.1论文研究的主要研究内容21.5.2 论文主要研究内容的意义22 光电跟踪伺服控制系统的组成及其数学模型22.1 光电跟踪伺服控制系统的组成22.2光电跟踪伺服控制系统各子系统的数学模型22.2.1 CCD跟踪器22.2.2数字控制器22.2.3 PWM功率放大器22.2.4直流力矩电机22.2.5光电编码器22.3数字模型的建立22.4本章小结23 光电跟踪双环伺服控制系统的设计23.1控制系统校正的基本概念及性能指标23.2控制系统校正方式23.3伺服系统的设计23.3.1系统性能分析23.3.2速度回路设计23.3.3位置回路设计23.4本章小节24 基于SIMULINK光电跟踪伺服控制系统仿真研究24.1引言24.2 MATLAB/SIMULINK简介24.3基于SIMULINK仿真模型的建立24.4仿真结果分析25总结与展望255.1总结25.2展望2致 谢2参考文献28附录129附录22附录32ContentsAbstract21 Introduction2 1.1 Introduction of servo control system for photoelectric tracking2 1.2 The concept and basic requirements of servo system2 1.2.1 The concept of servo system2 1.2.2 Basic requirements for servo system2 1.3 Principle of servo system for photoelectric tracking2 1.4 Development of the optoelectronic tracking servo system at home and abroad2 1.5 The main content and significance of the research2 1.5.1 The main research content of the paper2 1.5.2 The significance of the main research content of the paper22 The composition and the mathematical model of the servo control system 2 2.1 the composition of the servo control system 2 2.2 the mathematical model of the subsystems of the servo control system 2 2.2.1 CCD tracker2 2.2.2 digital controller2 2.2.3 power amplifier2 2.2.4 DC torque motor2 2.2.5 encoder2 2.3 establishment of digital model2 2.4 summary23 the design of the dual loop servo control system for the opto electronic tracking2 3.1 basic concepts and performance index of control system correction2 3.2 control system correction mode2 3.3 servo system design2 3.3.1 system performance analysis2 3.3.2 speed loop design2 3.3.3 position loop design2 3.4 summary24 the servo control system simulation based on MATLAB 2 4.1 introduction2 4.2 MATLAB/SIMULINK introduction2 4.3 based on SIMULINK simulation model2 4.4 simulation results analysis2 4.5 before integrating inertia link Fifth chapter summary and prospect5 summary and outlook 2 5.1 summary2 5.2 outlook2Thanks2Reference2Appendix 12Appendix 22Appendix 32光电跟踪伺服系统性能提高的研究（山东农业大学 机械与电子工程学院）摘要：光电跟踪技术是近几年来发展起来的高新技术之一，这种技术主要原理是把光电传感器送来的目标位置偏差信号送至计算机控制单元，经过一定的算法对信号进行处理， 通过控制伺服电机驱动转台带动光电传感器的跟踪轴指向目标，让偏差变小，实现目标的光电闭环自动跟踪，具有很好的实时性、精度高的特点，在靶场测量、武器控制、航空等各种军用与民用领域有着广泛的应用。光电跟踪系统在国防建设中具有巨大作用，我国在光电跟踪系统领域与国外存在巨大差距，为了追赶国外和促进相关科技领域的发展，研究如何提高光电跟踪系统性能具有重要战略意义。本论文介绍位置速度双闭环控制方法，采用该方法可以大程度提高光电跟踪系统性能。本文首先对光电跟踪伺服系统的基本原理以及国内外发展情况进行了介绍，然后建立了光电跟踪伺服控制系统的数学模型，接着进行光电跟踪双闭环伺服控制系统设计，然后利用MATLAB/SIMULINK建立了系统的仿真模型。对本文提出的提高光电跟踪伺服系统性能的方法进行了仿真与验证，取得了与理论分析一样的结果，证明了此方法的正确性。最后针对仿真中的一些现象出现的问题进行了分析，并且提出了适合的解决办法。关键词：光电跟踪伺服系统 MATLAB/SIMULINK Dynamic integral control method for EO tracking serve systemLuyun Jiang(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract Photoelectric tracking technology is one of the high technology developed in recent years, the main principle of this technique is to send sent by the photoelectric sensor target position error signal to the computer control unit, after the signal is processed by the algorithm, through a certain algorithm of signal processing, by controlling the servo motor drive drive turntable photoelectric sensor tracking axis pointing to the target, reduce errors, achieve the target photoelectric closed-loop automatic tracking, with real-time, high precision characteristics, in the range measurement, weapon control, aviation and so on protection and civil fields have a wide range of applications.The dynamic error of the servo control system is gradually increased with the increase of the velocity and acceleration of the target motion. Control of optoelectronic tracking servo system is required more and more high, the existing control methods have been unable to meet the requirements of control precision, the improved servo control the tracking accuracy of the system has become the focus of many researchers in-depth study in recent years. This paper introduces the method of dynamic high - type control, and can largely reduce the tracking error by using this method.Firstly the opto-electronic tracking servo system basic principle and domestic and foreign development were introduced, and then establish the opto-electronic tracking servo control system mathematical model, and using Matlab / Simulink to establish the simulation model of the system. Finally, some problems in the simulation are analyzed, and the possible solutions are proposed.Keywords: Tracking serve system MATLAB/SIMULIN271 绪论1.1 光电跟踪伺服控制系统简介光电跟踪系统一般主要由光学系统、伺服系统、测角系统、记录系统和辅助系统等组成，综合了光学、电子学、自动控制技术、精密机械技术和计算机技术等，与无线电跟踪测量技术相比，具有测量精度高、直观性强、性能可靠和不受地面杂波干扰影响等优点。光电跟踪技术是近年来发展起来的高新技术，这种技术主要原理是把光电传感器送来的目标位置偏差信号送至计算机控制单元，经过一定的算法对信号进行处理，通过控制伺服电机驱动转台带动光电传感器的跟踪轴指向目标，减少偏差，实现对目标的光电闭环自动跟踪，具有很好的实时性、精度高的特点，在靶场测量、武器控制、航空等多种军用与民用领域有着大量的应用。随着现代科技技术的迅速发展、目标机动性能越来越强，对光电跟踪伺服控制系统要求也变得越来越高，必须达到响应更快、稳定和跟踪精度更高的性能指标的保障。甚至有些系统已经要求跟踪精度必须达到1rad。多年来，国内外许多科技工作者在提高光电跟踪伺服系统跟踪精度方面进行了大量深入的研究与探讨。为此，要更深入的去了解光电跟踪伺服系统的工作原理、关键技术的应用，对于研究进一步提高性能指标的方法具有深刻的意义。1.2 伺服系统的概念及其基本要求1.2.1 伺服系统的概念伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精准地跟踪或者复现某一个过程的反馈控制系统1。它的主要目的是使被控量迅速地按照一样的规律变化并与输入信号的误差确定在规定范围内。按照控制命令的要求来对功率进行放大然后变换与调控等处理，这样能做到使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制等都变得非常灵活方便。在大多数情况下，伺服系统特指被控制量（系统的输出量）是机械位移或者位移速度和加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）精确地追踪输入的位移（或转角），结构组成和其他形式的反馈控制系统并没有太大的区别。1.2.2 伺服系统的基本要求伺服系统的功能是使输出快速而准确的复现给定，对伺服系统有以下几个基本要求：(1)稳定性好。在给定输入和外界干扰下，能在快速的过渡过程后，达到新的平衡状态，或者恢复到原来的平衡状态。 (2)精度高。伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度。 (3)动态响应快。动态响应是伺服系统重要的动态性能指标，要求系统对给定的跟随速度足够快，跟随时间足够的少。而且超调小，甚至要求无超调。(4)抗干扰能力强。在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复时间用时少，震荡次数少，甚至要求无震荡。1.3 光电跟踪伺服系统原理光电传感器送来的目标位置偏差信号传送给计算机控制单元，同时采集各端口的控制状态，根据当前系统的工作模式，通过一些特定的运算对信号进行处理，然后送至环路控制单元，通过控制伺服电机驱动转台带动光电传感器，并使光电传感器的光轴指向目标，达到自动跟踪的目标。1.4 光电跟踪伺服系统的国内外发展状况针对光电跟踪，目前国内外主要的控制方法经典控制，各种改进办法都是在此基础上针对系统中影响很大的因素进行补偿。国内的大型光测仪器，大多数也是采用速度滞后补偿、加速度滞后补偿等控制方法构成一种近似复合控制的方法。国外许多光测设备一般也是采用了经典的PID控制技术。在“双模控制”技术方面，美国多反射镜望远镜MMT设计了一个准最优控制定值时积分器不工作，是用位置误差平方根控制速度回路的系统，它将产生一个具有恒定加速度的抛物线轨迹，使位置误差和速度误差同时到达0。MMT的过渡过程非常平稳，跟踪精度达到1.5，为地面设备最高水平。在自适应光学性能方面，目前国内外已经开展自适应光学与精密跟踪系统相结合的研究与探讨，尽管很多理论与技术问题任然需要解决，但是采用自适应光学的跟踪系统仍然具有很大的发展前景。在高精度轴角测量技术方面，美国法兰德感应同步器分辨率为47nrad，相当于26位。据报道，美国分辨率最高的编码器为27位，但测角精度约仅达到1(5rad)。光电跟踪系统结构复杂，很多参数都很难进行准确的确定，所以在建立系统的数学模型时，具有严重的非线性；由于经典控制方法多用于线性定常系统，主要研究单输入单输出问题，它不适合控制对象参数变化、非线性程度大等场合。机动目标跟踪的基本问题是目标模型的动力学方程与目标的实际运动存在着很多不匹配的情况。跟踪过程就是估计目标当前时刻和未来时刻的状态，包括各种运动参数。通常是在两种不确定性情况下进行的，由于目标的高度机动所产生的目标模型的不确定性，和于干扰、噪声导致的量测的不确定性，这就直接导致量测与现有航迹互联时产生误差很大。正因为如此，数十年来，机动目标跟踪成为估计领域十分重要的研究方向。正是由于目标机动时经典控制方法不能良好的反映出系统的实际情况，近些年来一些新型的控制方法不断应用到跟踪伺服控制系统中来，用于提高目标跟踪的稳定性。这些新型的控制方法包括多模控制、自适应控制、变结构控制、模糊控制、鲁棒控制、神经网络控制以及它们之间相互渗透形成的混合控制。美国的MMT多反射镜系统和JCMT系统均采用了双模控制技术，大幅度的提高了系统的响应速度，增强了动态捕获能力。随着自动控制理论的不断大力发展，光电跟踪中伺服控制系统新的控制方法也随之出现，特别是自适应滤波和预测方法、数据融合技术的逐渐引入，大程度提高了目标发生机动时的跟踪时的稳定性。而且由于计算机的离线应用的发展，实现了对控制系统的分析、设计和建模等的数字仿真，减少了设计周期，增强了设计质量。1.5 论文主要研究内容及意义1.5.1 论文研究的主要研究内容第一章“绪论”，简要介绍了光电跟踪伺服系统的组成；和简单介绍下国内外光电跟踪伺服系统的发展情况，最后提出了本文的研究内容确定了研究的方向与目标。第二章“光电跟踪伺服控制系统的组成及数学模型”，根据对每一个环节的分析，确定每一环节的传递函数，最后建立了整个系统的数学模型。第三章“光电跟踪双闭环伺服控制系统设计”，速度位置双闭环是目前光电跟踪伺服系统中主要采用的一种控制方式。并对双闭环进行了设计和参数校正。第四章“基于SIMULINK光电跟踪伺服控制系统仿真研究”， 利用MATLAB/SIMULINK软件对系统进行了仿真实验，对第三章设计好的速度位置校正参数的多次调试来进行提高系统的性能指标。第五章“总结与展望”，对本论文进行了总结，针对光电跟踪伺服系统控制方式进行了展望。附录一 光电跟踪伺服控制系统仿真框图附录二 光电跟踪伺服控制系统MATLAB仿真程序1.5.2 论文主要研究内容的意义光电跟踪系统在国防建设中具有巨大作用，我国在光电跟踪系统领域与国外存在巨大差距，为了追赶国外和促进相关科技领域的发展，研究如何提高光电跟踪系统性能具有重要战略意义。2 光电跟踪伺服控制系统的组成及其数学模型2.1 光电跟踪伺服控制系统的组成为了更深层了理解光电跟踪伺服系统和深入研究双闭环伺服系统的设计,首先要了解整个光电跟踪伺服系统的基本组成以及工作原理,为了进行系统的仿真设计和测试需对各组成部分数学模型进行准确描述,为此,本章对输入信号到输出信号所经过的电视跟踪器、计算机控制器、PWM功率放大器、伺服电机、光电传感器等各环节分别作了解释分析,并进行了相应的数学描述,为后续研究内容做了铺垫。 C CD被控对象PWM功率放大器光电编码器位置输出位置、速度回路校正PWM波调制电路空 间 目 标光闭合 图2-1 数字化光电跟踪PWM伺服系统组成方框图伺服系统主要由数字控制器、功率驱动器、伺服电动机和光电传感器四大部分组成，图中CCD摄像机和信号处理电路组成构成光电传感系统，进行光电转换和信号延迟，模仿人眼的转换功能，经过光学闭合，完成位置误差检测，产生脱靶量，即误差检测信号。控制器则由位置、速度回路校正和PWM调制电路组成，完全由计算机控制，产生的脱靶量作为输入信号模拟PWM信号，PWM波调制环节是D/A转换环节。功率驱动器即为图中的PWM功率放大器，现代技术用到最多的控制技术是脉冲宽度调制，其基本思想是：控制逆变器中电力电子器件的开通或关断。因此电视幅值相等、宽度一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。被控对象则是伺服电动机。光电传感器则是光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何唯一转换成脉冲或数字量的传感器。2.2 光电跟踪伺服控制系统各子系统的数学模型2.2.1 电视跟踪器光电跟踪系统2据提供运动目标信息方式的不同可分为单杆跟踪、数字引导跟踪、电视跟踪、红外跟踪和激光跟踪五种主要方式，其中后三种方式原理相似，都是通过光电探测器来获得目标与探测器视轴偏差的脱靶量信息，且电视跟踪和红外跟踪属于被动跟踪，激光跟踪属于主动跟踪。本文主要采用电视跟踪方法3。电视跟踪方式下的电视跟踪器主要有摄像机和信号处理电路组成，属于误差检测元件，可获得脱靶量信息。其摄像元件利用光电耦合器件CCD，成像过程主要包括电荷的生成、收集、转移和测量，将测量的模拟电压信号经过模数转换芯片和相应电路转换成数字信号，然后经过压缩处理经通信连接送入相应的存储盘，对所得图像数据经过成像跟踪算法提取出目标特征点O，距视轴点O的偏移量即为L，通过正交分解得到的方位轴和俯仰轴的脱靶量A和E分别作为系统输入信号来引导跟踪架转动。图 2-2电视跟踪方式其数学模型包括一个拥有有限视场范围的比例环节、一个惯性环节、一个纯滞后环节和采样保持环节。在模拟跟踪系统的过程中，摄像机及电路均有一定的惰性，相当于一个惯性环节，传递函数为： 是这个惯性环节的时间常数滞后环节用以模拟电视跟踪器从采样时刻起到送出脱靶量的时间延迟。其传递函数为： t表示延迟时间此外，电视跟踪器每输出一次信号并保持一帧，因此数学模型中还应包括一个采样保持环节： 相比T为采样保持时间，对于50赫兹帧频T=0.02由于CCD跟踪器4的发展，电视跟踪器的惰性已经很小了，与滞后环节和采样保持环节相比较，对系统的影响已经可以忽略，所以，我们在仿真的时候只考虑滞后环节跟踪器可以简化为滞后环节和采样保持环节的串联。2.2.2 数字控制器光电跟踪伺服系统采用数字控制器，也就是控制功能都由计算机中的程序实现。数字控制器根据跟踪方式，操纵命令和工作状态，自动切换跟踪方式，通过位置校正及速度校正输出调宽脉冲，经功率放大来驱动直流力矩电机，检测环节是光电编码器，通过光闭合作用产生误差信号给功率放大器提供输入信号，来进行放大，使系统运行下去，提高系统的稳定度，达到光电检测的目的。2.2.3 PWM功率放大器在光电跟踪系统中，由于对精度要求很严格，所以采用直流脉宽调速系统。随着晶体管等电力电子器件的出现，脉冲宽度调速已经蓬勃地发展起，并逐渐得到完善。形成了脉宽调制变换器，或称直流PWM调速系统。在实际应用中得到了广泛的应用。通常电机能够工作，需要较大的电流和电压驱动，而计算机或者数字控制器输出的信号通常为TTL电平信号，无法直接驱动大功率的电机。PWM功率放大器就是用来连接数字控制器的输出与电机的输入端口的桥梁。数字控制器通常以PWM脉冲的形式输出信号，该信号通过一个PWM脉宽调制电路处理后传送到PWM功率放大器的输入端，PWM功率放大器会根据输入的PWM脉冲占空比输出相应的电压和电流信号，从而实现数字控制器到电机的驱动。可逆直流PWM系统主要包括双极、单级和受限单级三种工作模式。可逆PWM功率放大器采用有多种形式，最常用的是桥式电路，电动机M两端电压的极性随全控型电力电子器件的开关状态而改变。可逆PWM变换器的控制方式主要有双极式、单极式和受限单极式等多种。本文采用的是最常用的双极式控制可逆PWM变换器。图2-3 PWM功率放大器原理图2.2.4 直流力矩电机直流力矩电机，是力矩电机的一种，以直流电作为电源的力矩电机。它是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机。这种电机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力。直流力矩电机可以以较小输出转矩，而有较高的输出转速，转速和输出扭力独立进行调节，使用方便，操作简单，比一般交流力矩电机具有更高的操控性。直流力矩电机及跟踪转台模型电机输出转矩为： （2.4）其中Km为电机力矩系数，输出转矩一部分转化为负载力矩，另一部分用来克服阻力，根据动力学方程得： （2.5）其中J为转台转动惯量，b为旋转粘滞阻尼系数。 （2.6）根据电路原理得 （2.7）联立得到进行拉式变换得到电机输出转速与输入电压的关系为 （2.9）由于实际系统中 bL，bR，并令= JL， L/R，K=l/，分别表示电机时间常数和电气时间常数，此时化简为：由于一般系统中TmTe，则电机传递函数可简化为: （2.10）图2-5 光型电跟踪系统数学模型图2-6 高频情况力矩电机及跟踪转台模型2.2.5 光电编码器 光电跟踪系统中所用角编码器是一种光电编码器，也称码盘，可用来测量转台角度和角速度。由于角编码器属于数字测量元件，可直接用于计算机数字化控制，又可作为A/D转换器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的两路脉冲信号。2.3 数学模型的建立根据对上述的分析建立光电跟踪伺服系统的数学模型。目标 _ _图2-7光电跟踪系统数学模型图2.7是光电跟踪伺服系统的数学模型。它由输入目标、电视跟踪器、位置回路校正放大以及速度回路校正和速度滞后补偿环节组成。输入目标是模拟实际目标运行轨迹的信号发生器，可以是正弦信号、等速运目标信号及旋转靶标等各种需要模拟的目标信号。本论文采用正弦信号。电视跟踪器是由摄像机和信号处理电路组成，是一个误差检测元件。是位置回路校正放大环节，电视跟踪伺服系统位置回路的设计主要是确定其结构和参数。是速度回路校正放大环节，其参数和结构在速度回路设计时确定。是数字脉冲调宽环节中的一个采样保持环节，当PWM执行频率很高时可以等效为一个惯性环节。 是PWM功率放大环节中一个比例环节。控制对象是跟踪架，为了提高机械谐振频率，一般采用直流力矩电机和跟踪架直接耦合传动方式，在不考虑高频谐振时，其传递函数为，是机电时间常数，是电气时间常数，是电机反电势系数。 是速度回路到位置回路的积分环节。2.4 本章小结通过对系统数学模型的建立，得到系统各个部分的传递函数，为下一章光电跟踪伺服控制系统的设计做好了基础。3 光电跟踪伺服控制系统的设计3.1 控制策略3.1.1 控制系统校正的基本概念在一定条件下，跟踪精度是衡量光电跟踪系统性能的重要指标，而在一定硬件条件下可通过选取更好的控制策略来提高系统跟踪精度。控制策略包括经典控制策略和现代控制策略，经典控制包括速度位置双闭环控制(简称双闭环控制)、复合控制等效复合控制共轴跟踪控制和动态高型控制等。现代控制包括自适应控制、神经网络控制、模糊控制和内模控制等。作为一个很成熟的系统，目前工程中光电跟踪系统主要釆用经典控制策略，而经典控制策略基本都是在速度位置双闭环伺服控制的基础上改进得到的。下面介绍下本文用到的控制方法。3.1.2 双闭环控制速度位置双闭环控制是目前光电跟踪系统中常用的控制方法,其中速度回路决定系统的动态响应性能,位置回路决定系统的跟踪精度。通过对设计好的速度位置校正参数的反复调试来逐步提高系统的性能。 3.2控制系统校正的基本概念及校正方式3.2.1 控制系统校正的基本概念在选定系统的基本元器件如放大元件、执行元件、反馈元件等，并且被控对象也已经固定时，这些基本元件或环节一起就可以组成最基础的控制系统，换一种方式讲，在那些放大元件也就是拥有部分控制器功能的、以及广义上的被控对象和传感器已经被固定时，这时候我们称之为“固有系统”。一般来讲，就特性而言，固有系统的较差，只是单纯的依靠调整放大系数往往很难同时达到所期望的动、静态性能要求。要想是系统各方面都达到动、静态性能的合格标准，则另外需要引入一些附加的装置，以此来改变原有系统的特殊性能，而这种附加的可以使原有系统能满足性能要求目的的装置便称之为校正装置或补偿装置。从固有系统的校正的动机来看，就可以发现校正设计一直以来都需要围绕技术性能要求来进行设计，而这些要求往往都是作为系统的性能指标的形式给出。性能指标经常由设计制作出被控对象的工作人员或使用人员来提出。因为侧重点不一样，所以每一个控制系统对性能指标的要求都有所不同。往往调速系统对平稳性和稳态精度的要求比较高，而随动系统则比较侧重于对于快速性的要求。提出性能指标要既应符合实际应用系统的需要，又要具有一定的可实现操作性，指标过高因此系统成本过高或使得系统太过复杂，有时甚至不可能达到预计要求。3.2.2 控制系统校正的方式根据校正元件在系统中的联结方式，主要可以分为串联校正，反馈校正，前置校正和干扰补偿四种方法。系统主反馈回路之内常采用串联校正和反馈校正这两种校正方法。（1）串联校正元件通常设置在测量点和放大器之间，串联在前向通道上。（2）反馈校正元件通常被设置在系统局部反馈回路的反馈通道上。（3）前置校正又称前馈校正，主要是在系统主反馈回路之外采用的校正方式之一，在给定前置校正元件的数值之后，主反馈作用点之前的前向通道上。（4）干扰补偿就是直接或间接的来测量干扰信号，并且经过变换后接入系统，从而形成一条附加的，对干扰的影响进行补偿的通道。在串联校正中，根据校正元件对系统性能影响，还可分为超前校正，滞后校正和超前滞后校正。串联超前校正是利用超前校正网络的相角超前特性去增加系统的相角裕度作为基本原理，以此改善系统的暂态性能。串联滞后校正的作用主要有一下两方面，首先第一点是提高系统的低频响应的增益，减小系统的稳态误差，同时基本保证系统的暂态性能不发生变化。第二点是迟后校正环节的低通滤波器的特性，使系统高频响应的增益衰减，降低系统的截止频率，提高系统的相角稳定裕度，来改善加强了系统的稳定性以及某些暂态性能。 如果只采用超前校正或滞后校正都只能优化系统暂态或稳态的一个方面的性能指标。若未校正系统不稳定，而且对校正或系统的稳态和暂态都有比较高的要求，则应该串联滞后超前校正装置。利用校正网络的超前部分优化系统的暂态性能以及校正网络的滞后部分就可以使系统的稳态性能得以提高。3.3 伺服系统的设计3.3.1 系统性能分析从控制原理角度来分析，捕获跟踪8是一个动态响应的过程，系统的动态性能决定了系统动态捕获跟踪的能力的强弱。但是电视捕获系统的视场范围有限，运动目标穿过视场的时间很短，一旦动态性能不好，极有可能因为超调或振荡的原因导致目标远离视场，捕动态获跟踪失败。 良好的动态性能是上升时间快、超调小，实质是频带宽、稳定性好。工程上衡量系统动态性能的主要技术指标是：系统的超调量、调整时间和震荡次数N。系统的超调、调整时间、位置开环剪切频率和系统的相位稳定裕度以及谐振峰值之间满足以下近似关系： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5）由式3.1可知，相位稳定裕度越大，系统的超调量就越小。超调量越小，就是捕获跟踪时不会因为超调过大目标远离视场，也就是不会逸出电视跟踪器的线性区域。由式3.2可知，系统的开环剪切频率越高和稳定裕度越大，系统的调整时间越少，动态捕获跟踪的速度越快。3.3.2 速度回路设计速度回路设计的目的是满足位置回路所要求的动态特性，在时间常数0.01秒以内；满足系统所要求的速度范围；满足力矩误差对速度回路的要求，要有足够大的开环增益，良好的机械特性和调速特性。影响速度回路动态特性的主要因素是速度回路传递函数的增益、带宽以及传递函数的结构形式，速度回路的设计就是要确定这些参数来实现位置回路所需要的动态特性。速度回路开环剪切频率一般要求不大于90rad/s，考虑到谐振频率r的限制，根据经验。通常选取超前滞后校正环节对速度回路进行校正，取校正后的速度开环剪切频率为左右，为了克服力矩波动等干扰的影响通常取较大的开环增益，本文采用K=1600。相对于速度回路剪切频率，跟踪架的小惯性环节转折频率点和谐振频率很高，为了简化设计和分析，忽略对系统的影响。简化后的跟踪架的传递函数7是:采用超前滞后补偿进行系统校正，其校正函数的形式为：（1）低频段决定系统的稳态精度。（2）中频段决定了系统的平稳性和快速性。（3）高频段决定了系统的抗干扰能力。由此，得到典型0型系统的开环传递函数的波特图：图3-1 0型系统开环传递函数波特图为了初步计算出各参数的值，我们从右向左计算各参数的值，由于和可视为已知，s，s，所以所求的参数依次为，。按照工程要求所对应的幅值为1015dB，这里选为15dB，,利用公式，算出=0.064s。然后将看作和中点，可以算出=0.00202s。通过K值，算出，并求出的幅值，可以算出=1.5526s。经公式计算和仿真验证，速度回路校正环节的参数如下： （3.8）校正以后的速度开环传递函数是： （3.9）图3=2 速度回路开环波特图剪切频率=71.3rad/s，相位裕度Pm=71度，幅值裕度Gm=系统是稳定的。速度回路的闭环传递函数是： （3.10）简化得： （3.11）通过仿真得速度回路闭环波特图如下：图3-3 速度回路闭环波特图从图中可知速度闭环近似一个惯性环节，所以简化后的速度闭环传递函数为： （3.12）3.3.3 位置回路设计位置回路设计的目的是实现伺服系统所要求的一定速度、加速度下的稳态和动态性能指标。考虑到系统的稳定性，位置环通常采用I型系统；为了提高系统精度，需要增大开环低频增益，因此采用超前滞后校正环节进行校正，构成一种条件稳定系统。 图3-4 I型系统开环传递函数波特图 增益及校正时间常数的选取应考虑到精度要求和其对捕获过程的影响，此时可以把速度回路看成是一个惯性环节，当作被控对象，参数的计算过程遵循回路参数的计算方法。位置校正环节可选取以下参数： 图3-5 位置回路开环波特图剪切频率=27.7rad/s，相位裕度Pm=54.7度，满足系统稳定要求。为了提高系统精度，还分别采取速度、加速度滞后补偿6的方法，构成近似等效复合控制系统。通过多次仿真实验的测试，最后选定的速度滞后补偿传递函数为： （3.15）加速度滞后补偿传递函数为： （3.16） _ _目标图3-6光电跟踪双环伺服系统数学仿真框图系统无滞后补偿、只有速度滞后补偿和有速度、加速度滞后补偿系统的开环波特图分别为图3.7、图3.8和图3.9。图3-7 系统无滞后补偿图3-8 有速度滞后偿图3-9 有速度、加速度滞后补偿这三种条件下，系统均处于条件稳定状态，系统的开环剪切频率都在25rad/s附近，相位稳定裕度分别为54.7、48.7和42.4。经研究发现，相位裕度至少要45，最好是60，虽然此时系统基本是稳定的，但系统稳定性却变差了。采样周期为0.0025秒，如果降低系统的位置开环剪切频率将无法实现光电跟踪系统要求的跟踪精度。因此，采用电视跟踪器滞后补偿和零阶保持补偿的方法，用延迟环节来模仿电视跟踪器因图象信号建立、扫描以及传输等多种原因形成的滞后时间。用零阶保持环节来模仿电视跟踪器一帧图象保持时间。在不降低系统开环剪切频率的条件下实现系统的稳定。3.4 本章小节本章根据某一具体的光电跟踪系统进行了速度回路和位置回路的设计，并在此基础上建立了光电跟踪伺服控制系统的MATLAB/SIMULINK5仿真模型，为后面MATLAB/SIMULINK仿真和系统性能的分析打下了基础。4 基于SIMULINK光电跟踪伺服控制系统仿真研究4.1 引言计算机仿真就是依据某一系统动态或者静态的数学模型，使用计算机对系统进行数学仿真模拟，并研究动态或者静态性能指标。计算机仿真成本低，并且速度快，已被普遍应用于工程系统的专研。近年来，MathWorks公司的仿真软件MATLAB/SIMULINK10以其简单明了的图形化输入和仿真结果显示，在控制系统仿真中得到了普遍的使用。本章将基于MATLAB/SIMULINK软件进行系统仿真。4.2 MATLAB/SIMULINK简介MATLAB程序设计语言是美国MathWorks公司于20世纪80年代中期推出的高性能数值计算软件。通过MathWorks公司十几年的开发、扩展与不断完善，MATLAB已经发展成为合适多学科、性能特强、特全的大型系统软件。在国外MATLAB已经受了多年考验。在欧美高校，MATLAB成为线性代数、自动控制实践、数理统计、数字信号解析与剖析、动态系统仿真等高级课程的必备数学工具，成为高校大学生、硕士生、博士生必需会了解的基础知识与基本技能。与其他程序设计语言相比，MATLAB语言有如下优点：（1）简洁高效性：MATLAB程序设计语言集成度高，语句简单明了，其程序可靠性高、易于检查改错，可以大大提高解决问题的效率和准确程度。（2）科学运算功能：MATLAB语言以矩阵为基本单元，可以直接用于矩阵运算。（3）绘图功能：MATLAB语言可以用最直观的语句将数据或计算结果用图形的形式显示出来，并可以将以往难以显示出来的隐函数直接用曲线绘制出来。（4）工具箱与模块集：MATLAB是被控制界的学者认可的，是控制界通用的计算机语言，在应用数学及控制领域基本所有的研究方向均有自己的工具箱，并且有领域内众多专家编写。（5）强大的动态系统仿真功能：Simulink提供的现象框图的仿真及概念性仿真功能，使得用户很简单的建立复杂系统模型，精确地对其进行仿真分析。Simulink简介控制系统仿真研究的一种很常见的要求是通过计算机得出系统在某信号驱动下的时间响应，从中得出期望的结论。对现行系统来说，利用控制系统工具箱中的响应函数对系统进行直接仿真与分析。Simulink提供了各种各样的模块，允许用户用框图的形式搭建起任意复杂的系统，从而对之进行准确地仿真。这使得用户可以轻松地对感兴趣的系统执行仿真，得出所期待的结果。4.3 基于SIMULINK仿真模型的建立由上面对光电跟踪伺服控制系统的分析以及设计，我们可以得到该系统基于MATLAB/SIMULINK的仿真模型(详见图4.1)。根据前面的章节对光电跟踪伺服控制系统的组成的分析，以及对其各个部分的数学模型的分析及建立。利用MATLAB/SUMLINK计算机仿真软件建立系统的仿真模型。 图4-1系统仿真框图 下面我