光电平台伺服系统设计与控制算法研究
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摘要
随着光电监视、跟踪、侦察系统使用要求的不断提高，对光学图像的稳定要求也日趋严格。光电平台技术是以机电一体化、自动控制技术为主体，多个学科有机结合的产物，具有很广阔的应用前景，其研究必成为热点。
首先，本文阐述了光电平台系统硬件电路设计。文中详细阐述了伺服控制系统中数字信号处理器(DSP)及其外围电路设计、通讯电路设计和驱动电路设计。针对陀螺供电和输出信号的特点，给出了数字式SPWM陀螺供电电源设计电路和改进的平均值包迹检波器设计电路。对直流PWM功率放大器常用控制模式特性进行了分析，并对双极模式下电机电枢电流进行了定性分析。
其次，本文给出了系统实际调试阶段所采用的积分分离PID控制器设计、软件流程和调试结果。调试过程中，光电平台伺服控制系统加入超前校正环节以改善系统的幅相特性。同时，针对调试结果对所采集的陀螺信号进行低通滤波，系统控制精度明显改善。
最后，本文针对传统PID控制器的不足 设计并仿真了智能控制算法和PID控制算法相结合控制器。复合轴PID控制器将传统的单伺服控制回路设计成为主伺服控制回路和子伺服控制回路两个控制回路来提高系统的控制精度，同时解决了高阶系统和稳定性之间的矛盾。二自由度IMC_PID是将传统二自由度PID控制器与内模控制器相结合的控制器，该控制器较常规PID控制具有调节参数少，可单独调节跟随性能和抗干扰性能，同时控制器可以对控制对象的模型失配进行一定程度上补偿的特点。基于神经网络专家系统的控制器是将神经网络控制器、专家系统控制器和传统PID控制器相结合的控制器，在建立了整个控制系统的数学模型的基础上，该控制器能够根据系统状态在线自动调节控制器参数，控制效果十分理想。
With the gradual improvement of requirement on optoelectronic scrutiny system, optoelectronic tracking system and optoelectronic reconnaissance system, the demand on the stability of optical image is becoming much stricter. The technology of optoelectronic platform which is the combination of several subjects takes mechatronics and automation technology as the principal parts. Since the technology of optoelectronic platform has capacious appliance foreground, the research on it must become a hotspot.
Above all, the paper expatiates the hardware circuitry design of optoelectronic platform system. The following parts are expounded in the paper: the design of DSP in servo system and its periphery circuitry as well as the design of communication circuitry and driver circuitry. According to demand of gyro power supply and the characteristics of output signal, it is presented the design circuitry of digital SPWM gyro power supply and improved average modulation cymoscope. The analysis of control mode character of direct current PWM amplifier and the qualitative analysis of electromotor armature current under bipolar mode can be obtained in the thesis.
Secondly, the paper presents integrate separate PID algorithm, software flow and experiment result. According to debugging result, the system control precision is obviously ameliorated by two steps: one is to add the anticipatory emendation to improve the amplitude and phase characteristic of the system, the other is to filter of the gathered gyro signal.
Finally, aiming at the deficiency of traditional PID algorithm, the paper illustrates the design and simulation of the combined controller of intelligent algorithm and PID algorithm. Compound Axis PID algorithm transfers the traditional single servo control circuit to a system with a main servo control circuitry and a sub-servo control circuitry in order to enhance the control
首先，本文阐述了光电平台系统硬件电路设计。文中详细阐述了伺服控制系统中数字信号处理器(DSP)及其外围电路设计、通讯电路设计和驱动电路设计。针对陀螺供电和输出信号的特点，给出了数字式SPWM陀螺供电电源设计电路和改进的平均值包迹检波器设计电路。对直流PWM功率放大器常用控制模式特性进行了分析，并对双极模式下电机电枢电流进行了定性分析。
其次，本文给出了系统实际调试阶段所采用的积分分离PID控制器设计、软件流程和调试结果。调试过程中，光电平台伺服控制系统加入超前校正环节以改善系统的幅相特性。同时，针对调试结果对所采集的陀螺信号进行低通滤波，系统控制精度明显改善。
最后，本文针对传统PID控制器的不足 设计并仿真了智能控制算法和PID控制算法相结合控制器。复合轴PID控制器将传统的单伺服控制回路设计成为主伺服控制回路和子伺服控制回路两个控制回路来提高系统的控制精度，同时解决了高阶系统和稳定性之间的矛盾。二自由度IMC_PID是将传统二自由度PID控制器与内模控制器相结合的控制器，该控制器较常规PID控制具有调节参数少，可单独调节跟随性能和抗干扰性能，同时控制器可以对控制对象的模型失配进行一定程度上补偿的特点。基于神经网络专家系统的控制器是将神经网络控制器、专家系统控制器和传统PID控制器相结合的控制器，在建立了整个控制系统的数学模型的基础上，该控制器能够根据系统状态在线自动调节控制器参数，控制效果十分理想。
With the gradual improvement of requirement on optoelectronic scrutiny system, optoelectronic tracking system and optoelectronic reconnaissance system, the demand on the stability of optical image is becoming much stricter. The technology of optoelectronic platform which is the combination of several subjects takes mechatronics and automation technology as the principal parts. Since the technology of optoelectronic platform has capacious appliance foreground, the research on it must become a hotspot.
Above all, the paper expatiates the hardware circuitry design of optoelectronic platform system. The following parts are expounded in the paper: the design of DSP in servo system and its periphery circuitry as well as the design of communication circuitry and driver circuitry. According to demand of gyro power supply and the characteristics of output signal, it is presented the design circuitry of digital SPWM gyro power supply and improved average modulation cymoscope. The analysis of control mode character of direct current PWM amplifier and the qualitative analysis of electromotor armature current under bipolar mode can be obtained in the thesis.
Secondly, the paper presents integrate separate PID algorithm, software flow and experiment result. According to debugging result, the system control precision is obviously ameliorated by two steps: one is to add the anticipatory emendation to improve the amplitude and phase characteristic of the system, the other is to filter of the gathered gyro signal.
Finally, aiming at the deficiency of traditional PID algorithm, the paper illustrates the design and simulation of the combined controller of intelligent algorithm and PID algorithm. Compound Axis PID algorithm transfers the traditional single servo control circuit to a system with a main servo control circuitry and a sub-servo control circuitry in order to enhance the control
引文
[1] 卢广山，姜长生等．机载光电跟踪系统模糊控制的优化设计与仿真．航空学报，2002，23(1)．85-87页
[2] 王克．导弹防御局计划利用微卫星来进行验证试验．国外卫星动态，2005(6)．26-27页
[3] 钟建业．国外TMD所采用的若干高新技术．中国航天，1999年第12期
[4] 蒋鸿旺．反舰导弹新克星—法国“维志”系列光电火控系统探析．现代防御技术，1998．第5期
[5] 蒋鸿旺．岸基光电监视系统发展趋势和典型系统分析．红外与激光工程，1995．6，37-41页
[6] 孙隆和．机载光电探测、跟踪、瞄准系统技术分析和发展研究．电光与控制，1995．1，1-10页
[7] 张万清，王忠学等．飞航导弹电视导引头．国防工业出版社，1-30页
[8] 郭治．现代火控理论．北京：国防工业出版社，1996，1-50页
[9] 蒋谱成．电视跟踪在火控雷达中的地位和作用．雷达1987．第三期．44-49页
[10] 朱元昌，赵福红．火控系统原理与分析．兵器工业出版社，1994，1-50页
[11] 王春平．图像处理理论与技术在火力控制工程中的应用研究，1996
[12] 周启煌，单东升．坦克火力控制系统．国防工业出版社，1997，1-30页
[13] 张翠．高分辨率SAR图像自动目标识别方法研究．国防科学技术大学硕士研究生论文，2003，3-15页
[14] 导弹制导和控制系统分析与设计．北京．宇航出版社，1989，1—25页
[15] 朱涛，鲍德宁等．航空摄影陀螺稳定平台的嵌入式计算机控制系统．中国惯性技术学报，2002．第10卷．第3期，42-45页
[16] 纪明．武装直升机瞄准线粗／精组合二级稳定技术．航空学报，1997．18(3)：289-293页
[17] 纪明．车载机载稳瞄系统FSM补偿技术．火力与指挥控制，1997．22(1)：58-63页[18] TMS320LF2407A数据手册．www．ti．com
[19] 朱有为．精密稳定跟踪伺服机构的动态设计．国防科学技术大学硕士研究生论文．2003，5-20页
[20] 王连明．机载光电平台的稳定与跟踪伺服控制技术研究．中国科学院博士研究生论文，2002．13-25页
[21] 钟平．机载电子稳像技术研究．中国科学院硕士研究生论文，2003．12-22
[22] D.N.Es'kov.,Yu.A.stepin,VA.Toropin.opticai image stabilization methods and means SoVoJ.Opt.Technol.49(1).Jan 1982
[23] 谷素梅，张经武．CCD摄像机光学惯性稳像跟踪头．光学技术，1995(2)，21-27页
[24] 汪遵．光学稳像扫描稳像条件分析计算研究．光学技术，1992(6)，26-30页
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[32] 赵磊．三相逆变陀螺电源的研究与设计．哈尔滨工程大学硕士研究生论文，2004年，20-40页．
[33] 张立．现代电力电子技术．高等教育出版社．1999年，146-168页．
[34] 谢沅清，解月珍．通信电子电路．北京邮电大学出版社，2000年，28-62页
[35] 毕永利，王连明，葛文奇．光电平台控制系统中数字滤波技术研究．仪表技术与传感器，2005年．第4期，54-57页．[36] 高冬杰，谭杰，林红权．应用先进控制技术．国防工业出版社．2002年
[37] 吴新明．神经网络专家系统在直流伺服系统中的应用研究．南京理工大学硕士研究生论文．2003年，15-47页
[38] Larry A.Stockum, James Burge.Electro-mechanical Design for Precision Pointing and Tracking Systems.SPIE. 1987.779P
[39] 刘静江，黄永梅，傅承毓．空间光通信ATP系统中的跟瞄技术．光电工程，2003年．第30卷．第4期，4-7页
[40] 戴逸松．微弱信号检测方法及仪器．北京：国防工业出版社，1994年
[41] 黄永梅，傅承毓．实时跟踪控制系统中的数字滤波技术．光电工程，1998．25(2)，7—13页
[42] 蒋志凯．数字滤波与卡尔曼滤波．北京：中国科学技术出版社，1993年
[43] 张卫国，曹永刚，陈涛．用数字滤波器改善光电经纬仪机械谐振频率的方法．光学精密工程，1999．7(2)，77-82页
[44] W．D．斯坦利．数字信号处理．北京：科学出版社，1979年
[45] 马佳光．捕获跟踪与瞄准系统的基本技术问题．光学工程，1989．3．1-42页
[46] 宋文尧，张牙．卡尔曼滤波．北京：科学出版社，1991年
[47] 马佳光．预测目标角速度的最小平方滤波器．光学工程，1982年
[48] 薛定宇．反馈控制系统设计与分析．北京：清华大学出版社，2000年
[49] 陈桂明，张明照，戚红雨等．应用Matlab建模与仿真．北京：科学出版社，2001年
[50] 刘胜，彭侠夫，叶瑰的．现代伺服系统设计．哈尔滨工程大学出版，2001年
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