[发明专利]一种光电跟踪系统多级多阶滞后校正网络控制方法

说明书

本发明公开了一种光电跟踪系统的多级多阶滞后校正网络控制方法，采用一种按特定规律排布的多级多阶滞后校正网络，在无需更改已有控制系统框架、不影响系统相对稳定性的条件下，实现光电跟踪系统工作频段内的高精度跟踪及控制参数的自动整定。与现有的光电跟踪控制系统相比，本发明在提高跟踪精度的同时弱化了当前光电跟踪系统中跟踪精度与稳定性之间的矛盾问题，解决了设计人员在设计中的设计依据模糊不清及参数整定难题。

技术领域

本发明涉及光电跟踪系统控制领域，具体涉及一种光电跟踪系统多级多阶滞后校正网络控制方法，适用于对跟踪精度及稳定裕度都有较高要求、无需设计人员具有丰富控制系统设计经验即可快速实现的高精度光电跟踪系统。

背景技术

在光电测量、激光通信、天文观测等领域中，光电系统作为快速准确发现并对目标进行跟踪的执行机构，发挥了重要的作用。近些年来，随着探测的距离增加、跟踪目标快速性和机动性的增强，对光电跟踪系统的跟踪精度提出了更高的要求，给相应的光电跟踪控制技术提出了挑战。为实现上述目标，光电跟踪控制系统需要具有更强的跟踪误差抑制能力。

从控制系统设计的角度，提升光电跟踪系统的误差抑制能力最有效的方法是提升系统的控制带宽或提升带宽内的增益。由于受限于系统的机械特性和数据传输滞后等因素，带宽提升的范围受到限制，并且提升带宽带来的成本增加也较为高昂。提升系统带宽内的增益是一般控制系统设计人员所偏爱的设计思路，其中最直接的方法为增加系统积分器的个数。在带宽不变的前提下，积分器的个数越多，系统的低频增益越大，对跟踪误差的抑制能力也就越强。例如唐涛等人2011年在“PID-I controller of charge coupleddevice-based tracking loop for fast-steering mirror”一文中提出的PID-I型控制器，通过加入两个积分器来改善光电系统中低频段内的误差抑制能力；长春光机所在“动态高型控制在光电经纬仪伺服系统中的应用”一文中提出的高型控制同样是通过添加多个积分器来实现光电系统的高跟踪精度。然而这些方法最终均未能在工程中获得广泛使用，其中最重要的原因就是积分器带来的相位损失无可避免，而相位损失又导致系统的稳定裕度大幅降低甚至在某些情况下会造成不稳定的现象，使得这些方法的工程应用受到诸多限制。超前-滞后校正方法，例如2009年发表于Automatica的“Synthesis of phase-lead/lagcompensators with complete information on gain and phase margins”一文，可以在一定频段内模拟积分算子，提升系统的增益，但同样会带来一定频段内的相位损失。在遇到系统驱动保护、积分饱和等非线性现象，造成有效增益下降时，该种控制器不仅跟踪精度下降，还同样面临着相位裕度降低乃至系统不稳定的风险。正是由于积分算子所代表的系统增益与系统相位所代表的稳定裕度之间存在固有的矛盾关系，使得传统反馈闭环回路结构中高跟踪精度、高稳定裕度的控制器设计成为了难点。

分数阶校正方法是一种在积分器个数和相位损失之间做一个折中的新型控制策略，通过在全频段内均衡地损失小部分相位来获取整个带宽范围内的增益增加，实现类似于“半个积分器”的控制效果。虽然其有效积分器个数降低，导致跟踪精度与多积分器系统相比略有降低，但其相位损失较小且均衡，系统的稳定性不会因有效增益的变化而降低。例如“A comprehensive performance improvement control method by fractional ordercontrol”一文，在快反镜工作的中低频段内采用了分数阶校正的控制方法，证实了分数阶校正在不改变系统稳定裕度下提升跟踪精度的可行性。分数阶校正方法目前虽然在理论上已经有了很多结论，也在一定限制条件下获得了一些应用成果，但由于具有“半个积分器”特性的分数阶元器件的研制至今还没有较大突破，在数字计算机上也无法直接获得分数阶校正特性的校正器，该种理论方法的广泛实现成为了工程应用中的瓶颈。但是，如果将理论上分数阶校正器的频率响应特性看作多个“一个积分器”与“零个积分器”的叠加效应，则可以一定程度上近似实现分数阶校正的效果。一个简单的实现叠加效应的方法是采用多个超前-滞后校正器进行某种规律下的级联，但这种规律至今还不明确也未能直接指导工程实现。