摘要:阐述了一种地面卫星跟踪的捕获跟踪控制系统。目前,此系统正应用于一台地面跟踪望远镜。详细介绍了跟踪望远镜的跟踪控制系统所采用的控制技术及算法,以及用跟踪望远镜机架得到的实验调试结果。
1 概 述
跟踪望远镜用于对目标的跟踪、精密定轨和光度测量,为识别目标提供角度和光度数据。跟踪望远镜主机为一地平式二轴机架,其上安装两个镜筒,四种探测器,分别用于白天、晚上对目标进行搜索捕获、闭环跟踪、轨道测量和光度测量。跟踪望远镜主机的二轴机架分别由方位、高低两套相互独立又相互配合的伺报控制系统控制,以在一定的精度范围内搜索跟踪空中有效目标。两机架均采用力矩电机同轴驱动,方位、高低两控制系统的基本结构相同,是带有速度内回路的双闭环、双采样频率的控制系统。
2 控制技术
2.1 速度回路的校正补偿
速度回路的幅频特性曲线设计为在低频段以-20dB的斜率下降,这样,速度回路的增益低一些,系统误差会大一些,但却可以提高跟踪的平稳性,减小两帧间误差的变化率。图1给出了跟踪望远镜在速度v=5rad/s的等速引导下,系统采样频率为15Hz时的跟踪误差曲线,满足系统对速度平稳性的要求。
2.2 变形PID控制算法
PID控制是过程控制中应用最广泛的一种,而且,用计算机实现PID控制的算法也相应地在发展,出现了非线性PID,选择性PID-PD控制以及增益自适应PID算法等。在该跟踪望远镜的控制系统中采用变增益变形PID算法,效果很好。因为,在一般的PID控制方式中,在开始或停止工作瞬间,或在大幅度的给定量时,由于偏差较大,如果采用能满足精度要求的高增益控制,会影响系统的稳定性,而全速积分项的作用将会使系统产生一个很大的超调,使调节时间过长。根据上述分析,我们采用可变增益的、微积分分离的分段PID控制手段,即按偏差的大小,分成几段编写控制算法,每一段里的增益、积分、微分参数均可改变。时域内PID的基本算式为
在跟踪望远镜的控制系统中,综合采用分段变速积分的PID算法,用等效正弦函数A=A0+144°×sin(0.083t)引导0.68m跟踪望远镜机架运转,跟踪望远镜捕获跟踪的过渡过程曲线如图2所示。
从图2所示曲线可见,跟踪望远镜的捕获平滑、无过冲。与用一般PID算法相比,大大减小了超调量,系统更容易稳定,跟踪精度也可以作得更高。参数整定容易,各参数间的相互影响减小了,系统并不要求Δe1、Δe2两参数很精确,根据系统要求的误差范围很容易确定Δe1、Δe2的值。
2.3 速度前馈技术
在该控制系统中,速度前馈是提高精度的另一有效技术。控制系统中设计一个位置反馈环,而它正是跟踪环,目的是把位置跟踪误差e(k)减小到一个允许的值。在跟踪位置环稳定的情况下,常通过提高开环增益来实现,但增益过高,会影响系统的稳定性。速度前馈是既不影响系统稳定性而又能提高跟踪精度的有效方法,因为速度前馈的控制函数不在环内,所以,不会降低环的稳定性。图3为加入速度前馈的的控制系统原理框图。系统不加速度前馈时的闭环传递函数为
比较公式(6)、(7)可见,二者的特征方程相同,所以,增加速度前馈不影响原控制系统的稳定性。根据单位反馈系统开环、闭环传递函数的关系,可推导出加入速度前馈后控制系统的等效开环传递函数G0F(S)
消除速度滞后误差。当然,在实际工程项目中,由于元器件参数的分散性及非线性原因,不能完全补偿到K2K3=1,但可以补偿到90%以上。如果补偿到90%,就相当于控制系统的等效开环增益提高了10倍左右,而不影响中频段的频率特性,故不会影响系统的稳定性。
图4(a)所示曲线为没有加入速度前馈时,用等效正弦函数A=A0+144°sin(0.083t)引导跟踪望远镜机架所得的跟踪误差曲线。误差曲线呈正弦形式,正、负最大误差分别为+50.92″、- 46. 25″,均方差为30.38″。图4(b)所示曲线为在相同正弦函数引导下,加入速度前馈后所得的跟踪误差曲线,由于前馈到系统的速度量的补偿作用,误差曲线不呈正弦形了,跟踪误差基本压于横轴上,误差就减小很多,最大正、负误差分别为+11.27″、-11.05″,均方差为2.34″。
2.4 速度滞后补偿技术
在电视自动跟踪系统中,传感器只能提供目标与传感器视轴之间的偏差,即脱靶量,不能直接测得目标位置、目标速度,而脱靶量Δθ(t)就是目标位置θi(t)与仪器位置θ0(t)之差,即:
即在稳态跟踪时,用仪器自身的速度来近似目标速度,作为系统的补偿信号。由于该信号是近似的,且滞后目标速度一帧,故称为速度滞后补偿。速度滞后补偿是在速度内环路进行的,它是在速度负反馈环路内引进速度正反馈,正反馈补偿能提高系统增益,但却削弱了负反馈的作用,补偿不当会影响系统的稳定性。为减小正、负反馈之间的相关程度,在速度滞后补偿的输入端加一个惯性环节KTS+1。用等效正弦函数A=A0+144°sin(0.083t)引导跟踪望远镜机架时,加入速度滞后补偿所得的跟踪误差曲线如图5所示。跟踪精度相应提高,但不如速度前馈的效果好。
3 结 论
该数字控制系统成功地用于大型光电设备上,其变形PID控制算法简单易行,不需更多的理论,在按误差分段时需一定的系统调试经验和设计技巧或通过多次实验即可完成算法的编写。该控制算法参数修改方便,可以很好地发挥比例、积分、微分功能在各控制段的作用,较好地解决了快速捕获、稳定跟踪、高跟踪精度的问题。对于这类专用光电设备的控制系统,如果能对最优控制器和速度、加速度观测器进行理论与实践的研究,以期通过观测器来得到自动跟踪传感器无法得到的速度、加速度,就能重构离散最优伺服控制系统,得到更优的系统性能。
参考文献
1 冯国楠著.现代伺服系统的分析与设计.北京:机械工业出版社,1990
2 William J B.Supervisory Control of E-O Tracking and Pointing.SPIE,1990.1304:Acquisiton,Trackingand PointingⅣ:207218
3 别塞克尔斯基.自动调节系统的动态综合.北京:科学出版社,1997
4 潘新民著.微型计算机控制技术.北京:人民邮电出版社,1985
本文作者：杨文淑 张以谟 马佳光
