CN110308704A - 一种星地激光通讯捕捉系统的控制方法 - Google Patents

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王茂
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Abstract

本发明提供一种星地激光通讯捕捉系统的控制方法，在设计时先不考虑零阶保持器的影响，适当将设计指标提高，主要是系统相角裕度，然后在设计完毕后考查零阶保持器对系统的影响，使其处于容许的范围之内，以便得到更加容易、准确的操控方式。

Description

一种星地激光通讯捕捉系统的控制方法
技术领域
本发明涉及激光通讯控制系统领域，尤其涉及一种星地激光通讯捕捉系统的控制方法。
背景技术
星地激光通讯由于其具有抗无线电等干扰的优点而具有极大的潜在军事用途。但由于激光通讯对指向性要求很高，而星地之间的距离又较大，因此要求捕捉系统必须具有相当高的定位精度和伺服精度。为了满足高精度的捕捉瞄准控制，一般采用两套控制系统，一套用于精瞄，这个精瞄系统往往采用压电陶瓷方式来实现，但其作动范围十分有限，因此还必须配备一套捕捉系统。瞄准系统必须保证地面捕捉控制首先进入精瞄系统的运动范围，然后系统切换到精瞄控制，以便实现超高精度的瞄准。因此它不仅要求瞄准具有很高的定位精度，而且还必须具有高精度的低速伺服性能；同时由于地面捕捉设备具有大负载、大摩擦力矩扰动等特性，而且其一般工作于野外现场，存在比如地面、风力等较大的外界干扰，这给捕捉控制系统的设计和实现带来了极大的难度。因此，设计一种具有两个自由度即能同时实现方位和俯仰运动的功能，以便完成初始对准过程中的目标扫描和锁定功能的捕捉设备的控制方法就显得尤为重要了。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的提供一种星地激光通讯捕捉系统的控制方法，通过在设计时先不考虑零阶保持器的影响，适当将设计指标提高，主要是相角裕度，然后在设计完毕后考查零阶保持器对系统的影响，使其处于容许的范围之内，以便得到更加容易、准确的操控方式。
本发明提供一种星地激光通讯捕捉系统的控制方法，所述控制方法步骤如下：
步骤1：驱动系统上电，系统启动，启动按钮按下；
步骤2：对系统是否处在初始位置进行检测，若是则进入步骤3，若不是则进行回归初始位置准备之后进入步骤3；
步骤3：开始扫描，保持俯仰角不变，方位角遍历整个运动范围，对方位角是否取边缘值进行判断，若是则进入步骤4，若不适则仅需进行方位角变化，逼近取值边缘，并进入步骤4：
步骤4：系统进行切换给俯仰角一个脉冲角度变化，并且进行是否找到目标光源的判定，若是则进入步骤5，若不是则进行俯仰角是否取边缘值的判断，若是则进入步骤4.1，若不是则进入步骤4.2；
步骤4.1：发送检测失败信号给上位机，并进入步骤7；
步骤4.2：系统此时继续切换，给俯仰角一个脉冲变化，并重新进入步骤3；
步骤5：跳出循环，停掉速度回路控制系统，进入步骤6；
步骤6：进入位置控制系统，不断逼近目标光源精准位置，并对是否对准目标光源精准位置进行判断，若是则进入步骤7，若不是则进入4.1；
步骤7：回归初始位置，并结束。
进一步改进在于：所述步骤1中驱动系统上电时方位轴电机以及俯仰轴电机上电，并且在启动按钮按下后上位机将始能信号通过控制器传递给驱动系统。
进一步改进在于：所述步骤4.2中扫描过程中始终保持俯仰轴电机与方位轴电机不同时工作。
进一步改进在于：所述步骤6中位置控制系统采用脉冲量驱动电机，达到精准对准位置光源的目的。
进一步改进在于：所述步骤1中驱动系统上电时对方位轴电机绕组和俯仰轴电机绕组进行通电预热，上电过程的时间为6～10秒。
进一步改进在于：所述步骤3中包含速度控制阶段和位置控制阶段两个不同的控制阶段，速度控制阶段的目的在于确定最终定位光标的大致位置，位置控制阶段的目的在于不断逼近最终定位光标的准确位置，位置系统实质上由一个纯测速机速度回路和一个纯位置回路构成，两个回路不同时工作，各自独立，故设计上就分为测速机粗回路设计和精密位置控制回路设计。
初始化：本过程包含两次操作，首先：(1)系统上电，在整个系统不工作时，系统处于完全的无电状态，此时，系统工作的首要操作就是按下上电按钮，此时，主要完成整体系统中驱动系统的上电操作，即对方位轴电机绕组和俯仰轴电机绕组进行通电预热，本系统，方位轴电机采用J3208LYX0H以及俯仰轴电机采用J160LYX06J，基于此种选型，此上电过程一般需要7s,此后：(2)系统启动，系统启动不同于系统上电，系统启动主要是上位机将始能信号通过控制器传递给驱动系统，使得驱动系统做好准备，为接下来的运动做铺垫，基于本系统的电机选型，此过程需要3s。需要特殊说明的是，此时驱动系统的输出力矩为0，或者说此过程的目的也是另驱动系统的输出力矩为0。
扫描：此过程中，首先要做的是判断系统光学相机位置，即方位轴以及俯仰轴是否处于初始位置，此处的初始位置由事先程序编写时确定。(1)、如果此时系统光学相机位置处于初始位置，则直接进入扫描状态；(2)、如果此时系统光学相机位置不处于初始状态，则要先回归初始位置，再进入扫描状态。
接下来，开始扫描运动，扫描从初始位置出发，整个过程包含速度控制阶段和位置控制阶段两个不同的控制阶段，速度控制阶段的目的在于确定最终定位光标的大致位置，位置控制阶段的目的在于不断逼近最终定位光标的准确位置。
扫描运动可以按这个规律进行：首先从初始位置，另俯仰角不变，方位角遍历整个运动范围，当方位角从范围最小遍历到最大时，俯仰角增加一个角度，再次重复方位角的运动，此过程直至找到目标光标的大致位置，以上过程均处于速度控制阶段。接下来，进入位置控制阶段，不断逼近精准位置。
由此可见，位置系统实质上由一个纯测速机速度回路和一个纯位置回路构成。两个回路不同时工作，各自独立。故设计上就分为测速机粗瞄回路设计和精密位置控制回路设计。
进入位置控制阶段，不断逼近精准位置，此过程体现为伺服系统的设计。
伺服功能是要求转台按照外部光学系统提供的角位置误差信息做伺服运动，其伺服精度要求优于5″。
回位，即返回初始位置，此操作由控制程序预先确定。
为了获得大刚度和高精度，该系统对给定和干扰都是稳态无差的。但是由于实际系统中难免存在饱和非线性特性，故此时系统为一条件稳定系统，该系统在大偏差时会出现不稳定。为此大偏差时系统应采用另一控制回路即粗瞄回路来保证系统大偏差的稳定和快速归零，故系统应设计为双回路结构。
根据以上讨论可知，位置系统的工作方式是依据当前偏差信号大小不同而运行不同的控制回路的，具体如下：
⑴当|ε|≥ε0时，系统按一个较大速率给定的测速机回路运行；
⑵当ε1＜|ε|＜ε1时，则以一个小的速率给定的测速机回路运行；
⑶当|ε|＜ε1时，系统切断测速机回路，而直接读取测角系统的角度反馈构成一个精密位置控制系统。
其中ε为位置偏差信号，ε0＞ε1。一般为保证系统的平稳切换选取如下参数：
ε0＝2°,ε1＝0.02° (2)
由此可见，位置系统实质上由一个纯测速机速度回路和一个纯位置回路构成。两个回路不同时工作，各自独立。故设计上就分为测速机粗回路设计和精密位置控制回路设计。
粗测速机回路是为了保证系统大偏差时的稳定，对控制精度等并无过高的要求(满足粗、精切换的精度要求即可)，因此采用测速机反馈加位置反馈的双环结构。其中位置环的主要目的是为了系统判断当前的偏差大小，并不真正参与控制系统。为了实现这一功能，在位置环中引入一饱和非线性网络，以使大偏差时测速机环的输入处于饱和状态，而且这个饱和值可根据当前偏差来自动调整。此时系统的位置反馈不起作用，相当于走一个测速机状态。
为了提高系统的抗干扰能力和速度控制精度，速率环校正采用一级积分校正，这样可保证速度环对速率给定和负载干扰的稳态误差均为0。相应地，为保证系统的绝对和相对稳定性，前向环节应加入一超前校正。速率环的设计实质问题就是如何从设计指标出发来选取超前环节的α和T。为了保证系统具有一定的快速性，选速率环的开环剪切频率为20Hz，同时为了获得良好的相对稳定性，保证系统具有较小的超调，希望速率环在其剪切频率处具有较大的相角裕度。根据古典控制，超前校正网络在其幅频特性的几何中心点的频率上能提供最大的补偿相角。此时
所提供的最大超前相角为：
显然，若令
则可保证速率环在剪切频率处获得最大的相角裕量。设计时首先选取一个合适的α值，然后根据式(6)可求得T即完成超前校正网络的参数选取，进一步将α、T代入式6示系统的开环传递函数表达式中，并令
20logKv|G(jω)|＝0 (6)
可求得前向通道的放大系数Kv。
由式(4)可知，α愈小则校正网络能提供的最大超前相角愈大，因此在实际应用中α应选得适当地小。
精位置回路是转台控制系统的核心，它不仅要求具有一定的带宽，本设计中选为10Hz，而且要满足系统要求的精度(±0.3")和刚度。由于该回路要求达到很高的精度，考虑到目前测速机的纹波噪音较大，系统中不应引入测速机反馈而设计为基于精密测角系统的单位置反馈形式。
系统中引入了一个纯积分环节，其静态精度和刚度指标自然满足，因此设计时主要考虑其带宽和系统稳定性。
由于系统中引入了纯积分环节，为了保证整个系统的稳定性，必须加入两级超前校正网络。根据古典控制理论可知，二个串联的超前校正网络在其幅频特性的几何中心点
处能获得最大的超前相角，而且T1,T2愈接近，该超前相角愈大。当 T1＝T2＝T时，能获得最大的补偿相角
同理，α选得愈小，则超前校正网络所能提供的补偿相角愈大；同时α愈小，则系统开环幅频特性中第一个转折频率愈小，系统的前向通道的放大系数设计值愈小，系统线性工作区愈大，这一点对精回路特别重要。
令α＝0.01及
则得T＝6.28s-1。此时系统的相角裕度大约为67度。同速率环设计一样，利用式(6)可求得前向通道的放大系数。
选用III型系统，则系统的静态刚度为无穷大，但是系统在运行时还希望系统在阶跃干扰下的动态失调角尽量小。原则上系统带宽愈宽，则动态刚度愈大，动态失调角愈小。由仿真结果看，α愈小，则最大动态失调角愈大。这是因为α愈小，则前向通道放大系数K的设计值相应愈小的缘故。由此可见，无论系统带宽如何，只要前向通道的放大系数大，则相应的最大动态失调角就小。因此选取α时还应充分考虑其相应的设计K值是否能满足最大动态失调角的要求。
控制系统应采用主从分布式的控制方法，采用一个基于 DSP2407A的数字系统来完成控制系统的校正算法综合，该CPU芯片采用表贴封装并且内部集成了32K的FLASH程序存储器，摒弃了过去单片机的直插封装和外置EPROM(程序存储器)，不仅减化了控制系统硬件结构，有利于小型化和可靠性；而且计算速度有大幅度提高，可在更小的采样周期内完成更复杂先进的控制律，为提高控制性能(快速性和精度)奠定了基础。而采用另一个工业控制计算机作为上位机完成指令给定、角度显示以及被测系统的数据采集和处理。整个系统硬件由一台工控机、一个基于DSP2407A的数字控制系统、一个角位置测量系统、一个测速机及直流力矩电机构成。其中工控机、DSP2407A 系统均以标准的16位地址总线和16位数据总线的形式连接，其间的所有信息都是通过这个标准的总线来完成的，具有高度的标准化和模块化，有利于设备的售后维护及维修。
本发明的有益效果：从可靠性和抗干扰能力上考虑，数字控制较之模拟控制有明显的优势，具有高度的标准化和模块化，不仅减化了控制系统硬件结构，有利于小型化和可靠性；而且计算速度有大幅度提高，可在更小的采样周期内完成更复杂先进的控制律，为提高控制性能奠定了基础。有利于设备的售后维护及维修。消除测速机或位置差分引入的高频噪音对系统精度的影响，以实现高精度的精密定位控制功能。
附图说明
图1是本发明的控制方法流程图。
图2是本发明的控制系统整体硬件结构示意图。
图3是本发明的粗瞄位置回路控制系统方块图。
图4是本发明的精瞄回路系统原理方块图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1所示，本实施例提供一种星地激光通讯捕捉系统的控制方法，所述控制方法步骤如下：
步骤1：驱动系统上电，系统启动，启动按钮按下；
步骤2：对系统是否处在初始位置进行检测，若是则进入步骤3，若不是则进行回归初始位置准备之后进入步骤3；
步骤3：开始扫描，保持俯仰角不变，方位角遍历整个运动范围，对方位角是否取边缘值进行判断，若是则进入步骤4，若不适则仅需进行方位角变化，逼近取值边缘，再进入步骤4：
步骤4：系统进行切换给俯仰角一个脉冲角度变化，并且进行是否找到目标光源的判定，若是则进入步骤5，若不是则进行俯仰角是否取边缘值的判断，若是则进入步骤4.1，若不是则进入步骤4.2；
步骤4.1：发送检测失败信号给上位机，并进入步骤7；
步骤4.2：系统此时继续切换，给俯仰角一个脉冲变化，并重新进入步骤3；
步骤5：跳出循环，停掉速度回路控制系统，进入步骤6；
步骤6：进入位置控制系统，不断逼近目标光源精准位置，并对是否对准目标光源精准位置进行判断，若是则进入步骤7，若不是则进入4.1；
步骤7：回归初始位置，并结束。
所述步骤1中驱动系统上电时方位轴电机以及俯仰轴电机上电，并且在启动按钮按下后上位机将始能信号通过控制器传递给驱动系统。所述步骤4.2中扫描过程中始终保持俯仰轴电机与方位轴电机不同时工作。所述步骤6中位置控制系统采用脉冲量驱动电机，达到精准对准位置光源的目的。所述步骤1中驱动系统上电时对方位轴电机绕组和俯仰轴电机绕组进行通电预热，上电过程的时间为6～10秒。所述步骤3中包含速度控制阶段和位置控制阶段两个不同的控制阶段，速度控制阶段的目的在于确定最终定位光标的大致位置，位置控制阶段的目的在于不断逼近最终定位光标的准确位置，位置系统实质上由一个纯测速机速度回路和一个纯位置回路构成，两个回路不同时工作，各自独立，故设计上就分为测速机粗回路设计和精密位置控制回路设计。从可靠性和抗干扰能力上考虑，数字控制较之模拟控制有明显的优势，具有高度的标准化和模块化，不仅减化了控制系统硬件结构，有利于小型化和可靠性；而且计算速度有大幅度提高，可在更小的采样周期内完成更复杂先进的控制律，为提高控制性能奠定了基础。有利于设备的售后维护及维修。消除测速机或位置差分引入的高频噪音对系统精度的影响，以实现高精度的精密定位控制功能。

Claims (6)

1.一种星地激光通讯捕捉系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法步骤如下：
步骤1：驱动系统上电，系统启动，启动按钮按下；
步骤2：对系统是否处在初始位置进行检测，若是则进入步骤3，若不是则进行回归初始位置准备之后进入步骤3；
步骤3：开始扫描，保持俯仰角不变，方位角遍历整个运动范围，对方位角是否取边缘值进行判断，若是则进入步骤4，若不是则仅需进行方位角变化，逼近取值边缘，再进入步骤4：
步骤4：系统进行切换给俯仰角一个脉冲角度变化，并且进行是否找到目标光源的判定，若是则进入步骤5，若不是则进行俯仰角是否取边缘值的判断，若是则进入步骤4.1，若不是则进入步骤4.2；
步骤4.1：发送检测失败信号给上位机，并进入步骤7；
步骤4.2：系统此时继续切换，给俯仰角一个脉冲变化，并重新进入步骤3；
步骤5：跳出循环，停掉速度回路控制系统，进入步骤6；
步骤6：进入位置控制系统，不断逼近目标光源精准位置，并对是否对准目标光源精准位置进行判断，若是则进入步骤7，若不是则进入4.1；
步骤7：回归初始位置，并结束。
2.如权利要求1所述的一种星地激光通讯捕捉系统的控制方法，其特征在于：所述步骤1中驱动系统上电时方位轴电机以及俯仰轴电机上电，并且在启动按钮按下后上位机将始能信号通过控制器传递给驱动系统。
3.如权利要求1所述的一种星地激光通讯捕捉系统的控制方法，其特征在于：所述步骤4.2中扫描过程中始终保持俯仰轴电机与方位轴电机不同时工作。
4.如权利要求1所述的一种星地激光通讯捕捉系统的控制方法，其特征在于：所述步骤6中位置控制系统采用脉冲量驱动电机，达到精准对准位置光源的目的。
5.如权利要求1或2所述的一种星地激光通讯捕捉系统的控制方法，其特征在于：所述步骤1中驱动系统上电时对方位轴电机绕组和俯仰轴电机绕组进行通电预热，上电过程的时间为6~10秒。
6.如权利要求1所述的一种星地激光通讯捕捉系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3中包含速度控制阶段和位置控制阶段两个不同的控制阶段，速度控制阶段的目的在于确定最终定位光标的大致位置，位置控制阶段的目的在于不断逼近最终定位光标的准确位置，位置系统实质上由一个纯测速机速度回路和一个纯位置回路构成，两个回路不同时工作，各自独立，故设计上就分为测速机粗回路设计和精密位置控制回路设计。
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