[发明专利]一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法

说明书

本发明提供一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法。在目标跟踪控制领域中，由于目标总是运动在低中频，因此低中频的跟踪精度是该系统普遍关注的问题。本发明在光电跟踪实验平台上首先进行被控对象辨识，然后设计基于附加集成模块的PID控制器，针对控制器中参数调节问题，采用了多目标寻优算法解决，最后将本发明所提控制方法实施后完成对目标的跟踪。已知代表光电跟踪系统跟踪精度的性能指标是误差抑制能力，在将基于附加集成模块的PID控制器与不添加集成模块的PID控制方法对比后，本发明所提控制方法在低中频的误差抑制能力明显优于PID，达到了提升跟踪精度的效果。

技术领域

本发明属于光电系统跟踪控制领域，具体涉及一种基于附加集成模块的PID控制器，用于目标跟踪。将附加集成模块加入传统PID控制器中，控制电机电压信号，有效提升系统的误差抑制能力，充分提升光电跟踪系统的跟踪精度。

背景技术

光电跟踪系统由主控、伺服、图像、信号传输等分系统组成，伺服系统在接收到图像传感器的偏差信号后，根据控制器的输出信号-电压驱动电机旋转，从而减小跟踪误差。因此伺服系统中控制器的设计是影响跟踪精度的重要因素。在大部分情况下，系统总被设计成一型系统，即系统的开环传递函数中仅含有一个积分环节，此时系统拥有一定的低频误差抑制能力。然而，在执行快速目标跟踪任务时，该一型系统的跟踪能力就略显不足了。因此，文献《PID-I controller of charge coupled device-based tracking loop forfast-steering mirror》[J].Optical Engineering,2011,50(4):043002.提出了PID-I控制器来使得系统存在两个积分环节，从而提升系统的无静差度；此外，该控制器的调参从幅值裕度和相位裕度考虑，即幅值裕度大于等于6dB，相位裕度大于等于45度，从而获得在2KHz采样频率下比一型系统提升10dB的误差抑制效果。但该文未考虑系统型别提升，从而相位滞后带来的稳定性下降问题。基于此，文献《A comprehensive performanceimprovement control method by fractional order control》[J].IEEE PhotonicsJournal,2018,10(5):1-11.对控制器进行了分数阶探索，即系统的型别是在一型与二型之间，而不是积分环节个数的整数倍；此控制器的优势是，对比一型系统具有较高的误差抑制能力，对比二型系统却只有少量的相位滞后，因此该方法是采用一种折衷的办法来提升系统的跟踪精度。由信号与信息处理基本理论得知，对于任意复杂信号，都可以看成由许许多多频率不同、大小不等的正弦波复合而成。而从控制理论角度出发，更高型别的控制回路具有抑制更高阶跟踪误差的能力，因此为了尽可能减小系统跟踪误差，高型系统一直属于研究热点。与此同时，高型回路的劣势是相位滞后带来的不稳定现象，为了更好地应用该控制算法优势，控制器的调参工作仍是重中之重。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了提升跟踪系统的跟踪精度，本发明提出了一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法。该方法在原有PID控制器基础上加入集成模块，目的是提高控制回路的型别至三型，从而提升跟踪系统的跟踪精度。与此同时，基于多目标寻优算法NSGA-II的控制器调参问题也被解决。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法，其具体步骤为：

步骤(1)、在跟踪平台上安装图像传感器(CCD：Charge-Coupled Device)，通过动态信号分析仪(DSA：Dynamic Signal Analyzer)对被控对象的位置特性测试，从而获得位置对象模型G_p(s)；

步骤(2)、在获取位置被控对象模型G_p(s)的基础上，设计比例-积分-微分(PID：Proportional-Integral-Derivative)控制器C_P(s)，其中比例环节的存在是为了减小系统跟踪误差，积分环节的存在是为了提升系统无静差度；微分环节的存在是为了改善系统动态性能；