CN111367073B - 一种基于位置修正模式的单检测复合轴控制系统设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于位置修正模式的单检测复合轴控制系统设计方法。单检测复合轴控制系统是利用一个位置探测器提供的位置信息实现机架和跟踪镜的同时闭环，为了避免了单检测系统的解耦问题，采用方式为：跟踪镜利用精电视提供的位置偏差进行闭环，机架闭环信号为跟踪镜的偏转角，可以实现大角度高精度跟踪。针对单检测复合轴系统复杂的调试设计问题，本发明给出一种简单有效的控制器设计方法。其核心思想是，对复合轴控制系统内部进行设计约束，对外只需测量出探测器的滞后信息，便给出最优化的控制参数，并且控制器结构简单，便于实际工程应用。

Description

一种基于位置修正模式的单检测复合轴控制系统设计方法
技术领域
本发明涉及光束控制领域，具体涉及一种基于位置修正模式的单检测复合轴控制系统设计方法，可用于高精度光电跟踪系统。
背景技术
在很多精密的光电跟踪领域既需要大角度偏转，又需要高精度跟踪，通常采用复合轴结构，即机架采用粗电视闭环实现大范围的粗跟踪，跟踪镜采用精电视闭环实现高精度的精跟踪，这是双检测复合轴控制系统，如图1所示。其控制框图如图2所示，其中B为粗电视探测特性，A为精电视探测特性，G1为机架对象特性，C1为机架控制器，G2为跟踪镜对象特性，C2为跟踪镜控制器。系统总的误差传递函数为：
Figure BDA0002473022980000011
其优点是粗精跟踪系统独立、互不影响，但受限于粗电视探测系统的低分辨率和较大滞后，粗跟踪的带宽和精度都做不高，从而影响系统精度。机架采用更高分辨率和更小滞后的精电视闭环，则能够达到更高的系统跟踪精度，这便是单检测复合轴控制系统，如图1所示。采用单检测方式，系统的精度和稳定性不受粗电视灵敏度的制约，其控制框图如图3所示，其中L为解耦控制器，系统总的误差传递函数为：
Figure BDA0002473022980000012
与双检测系统相比，单检测系统具有更强的耦合性，粗精跟踪会相互影响，必须加入解耦，并且只有当解耦控制器L＝A时，
Figure BDA0002473022980000013
系统才是完全解耦的。
当电视采样较低，跟踪弱小目标时，精电视特性非线性严重，这种方式存在粗精跟踪解耦困难，影响系统稳定性，并且粗精跟踪需要带宽匹配、控制器调试复杂，难以大范围工程应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于位置修正模式的单检测复合轴控制系统设计方法，利用一个位置探测器提供的位置信息实现同一光路中机架与跟踪镜的闭环，且需要机架与跟跟镜互不耦合，从而提高系统精度，并对系统内部进行设计约束，简化控制设计，便于工程迅速应用。
本发明解决上述技术问题提供的技术方案为：一种基于位置修正模式的单检测复合轴控制系统设计方法，高分辨率小角度的跟踪镜M上安装有测量位置偏转的传感器，内部利用位置传感器进行位置闭环，外部直接利用精电视探测系统提供的位置偏差进行闭环；低分辨率大角度的机架G内部安装有测角传感器，通过测角传感器微分获取速度信息，用于机架G内部速度闭环，而外闭环信号为高分辨率小角度的跟踪镜M的偏转角，具体步骤如下：
步骤(1)：机架G内部采用测角单元微分的速度信息进行速度闭环，速度环闭环后，机架的位置环特性在精电视内近似为1/s，即：
Figure BDA0002473022980000021
步骤(2)：跟踪镜M内部采用高精度高带宽的位置传感器进行位置闭环，闭环后跟踪镜位置闭环特性在精电视范围内近似为1，即：G2≈1；
步骤(3)：精电视脱靶量的对象特性可近似看作纯滞后环节：A≈e-τs，测量跟踪镜M的位置环对象特性A·G2≈e-τs，拟合Bode图，可以确定精电视滞后环节参数τ；
步骤(4)：精跟踪控制对象为A·G2≈e-τs，考虑位置闭环无静差，设计精跟踪控制器为积分控制器，
Figure BDA0002473022980000022
按照闭环系统稳定的条件可以由开环系统的相位裕度和幅值裕度来决定，一般来说，要Gm>6，
Figure BDA0002473022980000023
MAX K2，可以得到
Figure BDA0002473022980000024
步骤(5)：粗跟踪控制对象为
Figure BDA0002473022980000025
因为控制对象已包含积分环节，设计粗跟踪控制器为比例控制器，即C1＝K1，按照闭环系统稳定的条件可以由开环系统的相位裕度和幅值裕度来决定，一般来说，要Gm>6，
Figure BDA0002473022980000026
MAX K1，可以得到
Figure BDA0002473022980000027
进一步地，步骤(1)、步骤(2)对内部控制进行设计约束，保证机架和跟踪镜传递特性的假定。
进一步地，步骤(3)中对系统参数进行测定，便于后面控制器设计。
进一步地，步骤(4)中进行最优化控制器的设计。
进一步地，步骤(5)中进行最优化控制器的设计。
本发明相比于现有技术有如下优点：
(1)：避免了传统单检测控制的解耦问题。
(2)：控制器设计简单，只需测量出探测器的滞后信息，便给出最优化的控制参数，并且控制器结构简单，设计的控制器自动满足粗精跟踪带宽匹配，便于实际工程应用。
附图说明
图1为本发明中的光路结构图；
图2为双检测模式下的控制结构图；
图3为传统单检测模式下的控制结构图；
图4为本发明方式下的控制结构图；
图5为本发明中实测跟踪镜位置环对象特性波特图；
图6为本发明中粗精跟踪抑制比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
如图1所示，跟踪系统由高分辨率小角度的跟踪镜M、低分辨率大角度的机架G、精探测系统组成，所有的部件都安装于同一平台上。其光学位置关系描述如下：目标光依次经过跟踪机架G的主镜、次镜、反射镜和准直镜等光学组件后到达跟踪镜M3、再经过跟踪镜M3反射，到达精电视探测系统。其中，精电视探测系统：提供目标在CCD中的位置，其传递函数特性：A；高分辨率小角度的跟踪镜M，其传递函数特性：G2；其控制器：C2；低分辨率大角度的机架G，其传递函数特性：G1；其控制器：C1。
该跟踪系统采用的控制方式为：高分辨率小角度的跟踪镜M3上安装有测量位置偏转的传感器，内部利用位置传感器进行位置闭环，闭环后，其传递函数特性：G2≈1，外部直接利用精电视探测系统提供的位置偏差进行闭环；低分辨率大角度的机架G内部安装有测角传感器，通过测角传感器微分获取速度信息，用于机架G内部速度闭环，闭环后，机架的位置环特性：
Figure BDA0002473022980000041
外闭环信号为高分辨率小角度的跟踪镜M的偏转角。此方法控制结构如图4所示。
为了简化控制器的设计工作，本发明对复合轴的内部设计进行约束。一般精电视的采样在50～400Hz之间，滞后2～3帧。一般电视闭环带宽为其采样频率的1/20～1/40，在精电视滞后的约束条件下，粗精跟踪闭环带宽都在几Hz范围内。粗精跟踪内部都含有闭环控制，粗跟踪含有速度环，一般闭环带宽大于10Hz，跟踪镜含有位置环，一般闭环带宽大于100Hz，内部闭环后，在外环电视闭环带宽范围内，两者内环传递函数等效于1，而速度到位置环有一个1/s环节。
为实现本发明的目的，在上述约束条件下，本发明提供一种基于位置修正模式的单检测复合轴控制系统设计方法，具体步骤如下：
步骤(1)：机架G内部采用测角单元微分的速度信息进行速度闭环，速度环闭环后，机架的位置环特性在精电视内近似为1/s。即：
Figure BDA0002473022980000042
步骤(2)：跟踪镜M内部采用高精度高带宽的位置传感器进行位置闭环，闭环后跟踪镜位置闭环特性在精电视范围内近似为1。即：G2≈1。
步骤(3)：精电视脱靶量的对象特性可近似看作纯滞后环节：A≈e-τs，测量跟踪镜M的位置环对象特性A·G2≈e-τs，拟合Bode图，可以确定精电视滞后环节参数τ，如图5所示，拟合Bode图，可以确定滞后环节参数
Figure BDA0002473022980000043
步骤(4)：精跟踪控制对象为A·G2≈e-τs，考虑位置闭环无静差，设计精跟踪控制器为积分控制器，
Figure BDA0002473022980000044
按照闭环系统稳定的条件可以由开环系统的相位裕度和幅值裕度来决定，一般来说，要Gm>6，
Figure BDA0002473022980000045
MAX K2，可以得到
Figure BDA0002473022980000046
即
Figure BDA0002473022980000047
步骤(5)：粗跟踪控制对象为
Figure BDA0002473022980000048
因为控制对象已包含积分环节，设计粗跟踪控制器为比例控制器，即C1＝K1，按照闭环系统稳定的条件可以由开环系统的相位裕度和幅值裕度来决定，一般来说，要Gm>6，
Figure BDA0002473022980000049
MAX K1，可以得到
Figure BDA0002473022980000051
即
Figure BDA0002473022980000052
采用此模式下，主轴、子轴及总抑制传递函数如图6所示。主轴抑制比为机架采用粗电视闭环时，主轴对误差的抑制比传递函数，子轴抑制比为跟踪镜采用精电视闭环，子轴对误差的抑制比传递函数，复合轴为两者抑制比的乘积。

Claims (5)

1.一种基于位置修正模式的单检测复合轴控制系统设计方法，高分辨率小角度的跟踪镜M上安装有测量位置偏转的传感器，内部利用位置传感器进行位置闭环，外部直接利用精电视探测系统提供的位置偏差进行闭环；低分辨率大角度的机架G内部安装有测角传感器，通过测角传感器微分获取速度信息，用于机架G内部速度闭环，而外闭环信号为高分辨率小角度的跟踪镜M的偏转角，其特征在于：具体步骤如下：
步骤(1)：机架G内部采用测角单元微分的速度信息进行速度闭环，速度环闭环后，机架的位置环特性在精电视内近似为1/s，即：
Figure FDA0003387334710000011
步骤(2)：跟踪镜M内部采用高精度高带宽的位置传感器进行位置闭环，闭环后跟踪镜位置闭环特性在精电视范围内近似为1，即：G2≈1；
步骤(3)：精电视脱靶量的对象特性近似看作纯滞后环节：A≈e-τs，测量跟踪镜M的位置环对象特性A·G2≈e-τs，拟合Bode图，确定精电视滞后环节参数τ；
步骤(4)：精跟踪控制对象为A·G2≈e-τs，考虑位置闭环无静差，设计精跟踪控制器为积分控制器，
Figure FDA0003387334710000012
按照闭环系统稳定的条件由开环系统的幅值裕度Gm和相位裕度Pm来决定，要Gm>6，
Figure FDA0003387334710000013
MAX K2，即求取最大K2，得到
Figure FDA0003387334710000014
步骤(5)：粗跟踪控制对象为
Figure FDA0003387334710000015
因为控制对象已包含积分环节，设计粗跟踪控制器为比例控制器，即C1＝K1，按照闭环系统稳定的条件由开环系统的幅值裕度Gm和相位裕度Pm来决定，要Gm>6，
Figure FDA0003387334710000016
MAX K1，即求取最大K1，得到
Figure FDA0003387334710000017
2.根据权利要求1所述的一种基于位置修正模式的单检测复合轴控制系统设计方法，其特征在于：步骤(1)、步骤(2)对内部控制进行设计约束，保证机架和跟踪镜传递特性的假定。
3.根据权利要求1所述的一种基于位置修正模式的单检测复合轴控制系统设计方法，其特征在于：步骤(3)对系统参数进行测定，便于后面控制器设计。
4.根据权利要求1所述的一种基于位置修正模式的单检测复合轴控制系统设计方法，其特征在于：步骤(4)中在最优化控制器的设计。
5.根据权利要求1所述的一种基于位置修正模式的单检测复合轴控制系统设计方法，其特征在于：步骤(5)中在最优化控制器的设计。
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