光电经纬仪跟踪伺服控制系统

光电经纬仪跟踪伺服控制系统,二零零七年七月,目 录,光电经纬仪简介跟踪伺服系统介绍跟踪伺服系统设计跟踪伺服系统的现状和发展,1 光电经纬仪,1.1 光电经纬仪的用途它是跟踪测量飞行器飞行轨迹的光学测量仪器。能测量目标的方位角和俯仰角，主要用于飞机、火箭和航天器轨迹测量和起飞、着陆与飞行实况记录。作为地基光电测量设备完成对空间运动目标的运动轨迹测量和实况景象记录。主要用于观测和记录导弹的弹道和飞行姿态，提供弹道数据和高分辨率的图像。,中国研制的大型光电经纬仪,1.2 光电经纬仪的种类,地基经纬仪车载经纬仪船载经纬仪,1.3 跟踪架的结构形式,地平式U型架T型架赤道式水平式,1.4 传感器和测量方式,摄影机电视测量系统红外测量系统激光测距机瞄准镜和单杆,1.5 跟踪精度和测量精度,跟踪精度 仪器跟踪目标时目标位置与仪器光轴之间的角度误差。测量精度 仪器实时测得的目标角度(编码器加脱靶量)与目标真实角度之间的误差。,1.6 光电经纬仪中的控制系统,跟踪伺服控制系统调光调焦控制系统摄影控制系统,2 跟踪伺服系统,2.1 系统结构与组成,2.1.1 双闭环控制系统,2.1.2 检测元件,位置检测元件 光电轴角编码器 旋转变压器 感应同步器速度检测元件 测速机 编码器微分测速 光电脉冲编码器,2.1.2 检测元件,伺服系统对位置检测元件的要求高分辨力。保证最低速度的实现；高精度。保证位置精度的要求；响应时间短，滞后小；输出稳定性好，噪声小；环境适应性强。,2.1.2 检测元件,伺服系统对直流测速机的要求线性度好。输出电压和转速的特性曲线呈线性;灵敏度高。输出特性的斜率要大;温度变化对输出特性的影响要小;输出电压的纹波要小;输出特性的对称性要一致。伺服系统对数字测速元件的基本要求高分辨率。分辨率表征测量装置对转速变化的敏感度;高精度。精度表示偏离实际值的百分比;短的检测时间。,2.1.3 执行元件,力矩电机直流伺服电机步进电机,2.1.3 执行元件,伺服系统对电机的要求尽可能高的响应频率,亦即尽可能减小转子的转动惯量,增大转矩惯量比；良好的低速平稳性；尽可能宽的调速范围；机械特性的硬度T/n的数值尽可能大；换向器和电刷间的接触火花尽可能小,以减小伺服噪声；过载能力强。,2.1.3 执行元件,直流（力矩）电机的选择 最大速度的考虑 电机的电压平衡方程式： U-E=R*i+L*di/dt E=Ke* 最大加速度的考虑 电机的转距平衡方程式： TM=TL+TB=TL+J*d/dt TM=KT*i 调速范围、低速的实现,2.1.3 执行元件,直流力矩电机的主要技术参数峰值堵转力矩Mp；峰值堵转电压Up；峰值堵转电流Ip；最大空载转速n0max；转距波动系数；电枢电阻和电枢电感；起动电压和起动电流；火花等级。,2.1.4 控制对象,伺服控制系统的控制对象为电机加负载控制对象的数学模型 W(S)=1/KE/(TMS+1)(TeS+1) TM=J*R/KT2 - 机械时间常数,数值大约在几毫秒直至几秒； Te=L/R - 电气时间常数，通常在1毫秒至几十毫秒。,2.1.4 控制对象,控制对象机械时间常数的工程测试方法 假设被测对象的传递函数为：W(S)=1/(TMS+1) 阶跃响应法 TM=63.2t; 频率响应法 TM=1/ M;,2.1.5 功率放大器,模拟放大器；开关式放大器；H桥式PWM式放大器；PWM发生与控制电路,2.1.5 功率放大器,PWM型功率放大器的特点线路简单，功率器件少；调速范围宽；（600010000）快速性好。时间常数小，频带宽；电流波形系数好，附加损耗小；缺点电源为不可逆整流电路，不能向交流电网回馈电能；功率器件工作在开关状态，是系统的严重干扰源。,2.1.5 功率放大器,伺服系统对PWM功放的要求功放输出的电流，电压和功率与电机相匹配，并留有余量，以适应短时过载或短时超速；正反向驱动，四象限运行；具有过流和过压保护功能；线性范围宽，对称性好，死区小；频带宽。至少是系统带宽的10倍以上；效率高，稳定可靠。,2.1.5 功率放大器,PWM开关频率选择的考虑开关频率应足够高，以使系统（电机或负载）不能响应，通常选系统开环截止频率的十倍以上；开关频率必须大于所有回路的谐振频率；开关频率也必须大于回路的所有信号的响应频率；开关频率的提高受器件开关频率上限的限制；开关频率受计算机运算速度的限制。,2.1.6 控制器,模拟伺服控制器伺服控制器（卡）数字伺服控制器单片机，DSP工控机嵌入式系统,2.2 系统的工作方式,数学引导随动跟踪单杆半自动跟踪电视自动跟踪,2.2.1 数引随动跟踪,引导源和引导设备结构形式和工作原理,位置校正,速度校正,控制对象,速度反馈,位置反馈,速度顺馈,-,-,+,2.2.2 单杆半自动跟踪,单杆和瞄准镜半自动人参与闭合结构形式和工作原理,单杆,调节器,速度回路,控制对象,2.2.3 电视自动跟踪,光学闭合电视跟踪处理器结构形式和工作原理,电视处理器,位置调节器,速度回路,控制对象,2.3 跟踪伺服系统的指标要求,2.3.1 指标要求工作范围：方位：无限；俯仰：-5+185 。工作角速度：最大角速度：方位：80 /s，俯仰：50 /s保精度角速度：方位30 /s，俯仰：20 /s最低跟踪角速度：0.01 /s工作角加速度：最大角加速度：方位50/s2，俯仰：30/s2保精度角加速度：方位20/s2，俯仰10/s2,跟踪精度 在保精度跟踪角速度和角加速度范围内，方位和俯仰系统: 系统误差最大值3，随机误差均方根值15。动态性能在阶跃信号输入下，在线性范围内，超调量10，过渡过程时间1s，振荡次数1。跟踪方式 半自动跟踪，电视自动跟踪，数引跟踪三种方式，各跟踪方式之间可实现平滑切换。,2.3.2 指标的分析,3 跟踪伺服系统的设计,3.1 设计方法频率响应法 频域法适合于线性定常最小相位系统的设计。 传递函数 开环增益 剪切频率 闭环带宽 阶跃响应3.2 设计工具Matlib语言,3.3 速度回路,3.3.1 控制对象模型控制对象固有频率特性谐振点抑制谐振的方法 高频衰减 数字陷波器,3.3 速度回路,数字陷波器 传函 G(S)=S2+2/S2+2(2-K)+ 2 =2f，f中心频率，K系数,3.3.2 速度回路的作用,克服负载扰动,抑制干扰或对干扰进行滤波;克服摩擦造成的死区,克服饱和等非线性；保证速度控制刚度,保证系统的调速范围；使内回路带宽相对宽,快速性好(响应快)； 控制对象在没有速度回路时,可描述为1/S(T1S+1)，其中T1数量级在秒级；在有速度回路闭环时，内回路(速度回路即为控制对象，其可描述为1/S(T2S+1)，其中T2数量级在十毫秒左右， T2比T1小得多。,3.3.3 速度回路的设计,在设计外环时把内环作为一个整体环节对待 内环“等效惯性”的近似处理依外环频带与内环频带之间的相互关系而定。一般说来，内环与外环的中频段相距越远，内环越能简化近似。 在工程设计时，当内环带宽是外环带宽5倍以上时，则内环可等效成为一阶惯性环节。当内环带宽远远大于外环带宽时，有时也可将内环等效成为比例环节。,3.3.3 速度回路的设计,速度回路与位置回路带宽关系 一般位置回路大都采用型结构，设： cv速度回路开环截止频率； cp位置回路开环截止频率； fBV速度回路闭环带宽； R=2fR系统机械谐振频率； 则选取速度环cv=(24) cp选取机械谐振频率R=(46) cp选取fBV1/2 fR 即可使内环等效特性满足外环设计要求。,3.3.4 对速度回路的要求,1.满足系统所要求的速度范围；2.满足位置回路的动态特性;即速度回路闭环带宽足够宽(等效时间常数在0.01以下)，阻尼系数不低于0.6；3.满足转矩误差对速度回路的要求，即要有足够大的开环增益，较好的机械特性和调速特性。 速度回路的调速范围与增益成正比，而最低平稳速度与环路增益成反比，与转矩波动系数成正比。因此，就扩展调速范围和减小转矩误差而言，都必须通过增加环路总放大倍数来达到。采用有差调节（0型系统）是获得高放大倍数的途径。,3.3.5 速度回路仿真,3.4 位置回路,3.4.1 设计原则低频段特性决定系统的稳态精度 在工程中，对于具有一阶无差度系统（型系统）的精度往往以“系统输出轴按最大角速度max和最大角加速度amax作等效正弦跟踪时的允许误差不大于esin ”来度量。,3.4.1 设计原则,等效正弦运动的角频率i为： i= amax/ max等效正弦运动的振幅Am为： Am= 2max/ amax则等效正弦运动i为： i= AmSin it此时对系统的要求为：Kv= max/ esin Ka= amax/ esin,3.4.1 设计原则,中频区特性决定系统的动态品质 伺服系统的动态品质通常用零初始条件下的阶跃响应来衡量。具体指标为：调整时间（过渡过程时间）ts；超调量；振荡次数N；阶跃响应的快速性和频率响应的带宽；超调量与振荡指标M之间有着密切的关系。,3.4.1 设计原则,1. 二阶系统振荡指标M与系统阶跃响应超调量有以下关系： =e-（M-M2-1）1002. 对于高阶系统，当振荡指标在1.2M1.7范围时，M与有以下近似关系：=0.16+0.4(M-1) 1003. 系统开环对数幅频特性中频段的形状与M对应关系为：,3.4.1 设计原则,开环对数幅频特性与零分贝相交部分渐进线的斜率为-20dB/dec，而该线段沿纵坐标和横坐标的跨度分别为：LM=20lgM/（M-1）LL=20lgM/（M+1）h=（M+1）/（M-1）,3.4.1 设计原则,4. 当系统振荡指标处在1.1M1.8范围内时,其调整时间ts与它的开环幅频特性截止频率c有以下近似关系: ts=k/ c其中:k=2+1.5(M-1)+2.5(M-1)25. 当系统振荡指标处在1.2M2范围内时,振荡指标M与相位裕度之间有以下近似关系:=arcSIN(1/M),3.4.1 设计原则,总之,为了获得准最佳过渡过程,中频段的对数幅频特性应满足下列条件:(1)与频率轴在不低于c处相交;(2)在对数幅频特性值满足不等式LLL() LM时的斜率应为-20dB/dec,并有相位裕度,而LL、 LM、均按给定超调量=f(M)的关系来确定。,3.4.1 设计原则,高频段特性 一般以最简单的形式，并借助于斜率 -40dB/dec的渐进线，位置由时间常数T3=（1/ c）M/（M+1） 来确定。另外，应确保高频段小时间常数之和不超过下列数值：TiT3 （i=4，5，m）,3.4.1 设计原则,约束条件系统带宽不能超出各种约束条件, c应在下述范围内取值: cmins, R, K, N其中: s测量元件的截止频率; R机械谐振频率; K伺服电机的极限频率; N输入噪声的频率.,3.4.2典型伺服系统的工程设计(频域法),根据约束条件确定所能达到的c值;根据时域指标确定振荡指标M;根据下式确定中频段参量: T2（1/ c）M/（M-1）=(1/ a) M/（M-1） T3（1/ c）M/（M+1） c=a2T2,3.4.2典型伺服系统的工程设计(频域法),根据精度要求校核指标,选择系统无差度阶次,决定控制结构。 对于低频段而言，若为典型一阶无差度系统（特性量-20，-40，-20，-40形状），低频段时间常数T1决定低频增益KvKv=a2T1=KaT1选择T1的大小，使得系统增益（速度品质因数）满足要求。修改设计。,3.4.2典型伺服系统的工程设计(频域法),带宽与品质因数 对于型结构位置回路,若取 c=4 2; 3=4 c则: a=2 2=1/2 c对于一阶无差度系统,开环特性的截止频率cp与闭环带宽Bp有如下近似关系: Bp=2 cp其中: Bp=2fBP 为位置回路闭环带宽;则有: Ka=a2=(Bp/4)2=(2fBP/4)2=2.5 fBP2上式表明了一阶无差度系统的加速度品质因数 Ka与闭环带宽fBP之间的关系。可见，加速度品质因数 Ka受伺服带宽的限制。,3.4.3 位置回路仿真,3.4.4 数引跟踪复合控制,复合控制 通过在系统中引入输入或扰动作用的开环误差补偿通路（顺馈或前馈通路），与原来的反馈控制回路一起实现系统的高精度控制。,3.4.4 数引跟踪复合控制,系统的偏差传递函数为 若选择： 即误差完全通过顺馈通路得到补偿，系统既没有动态误差也没有稳态误差，在任何时刻都可以实现输出立即复现输入(不变性原理)，系统具有理想的时间响应特性。,3.4.5 电视跟踪,电视探测器的特点电视处理器对跟踪精度和动态性能的影响采取的措施 脱靶量外推 速度预测 速度滞后补偿 加速度滞后补偿,3.5 提高系统性能的方法,克服死区影响,实现低速的方法;大偏差处理双模控制和滑模自适应控制;速度预测滤波共轴跟踪动态高型调节器,4 跟踪伺服系统的现状和发展,4.1 现状和发展用途多样化;探测器多元化,跟踪测量方式多样化;测量数据的实时记录,实时输出,实时显示;图像信息的实时显示,实时存储,实时传出;直流伺服驱动向交流伺服驱动发展的趋势;,4 跟踪伺服系统