CN111427386B - 一种结合bang-bang控制与无超调预测控制的光电设备快速调转方法 - Google Patents

一种结合bang-bang控制与无超调预测控制的光电设备快速调转方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结合bang‑bang控制与无超调预测控制的光电设备快速调转方法，该方法结合了bang‑bang控制在大范围调转速度快的优势以及调转后程使用无超调预测控制，以缩短系统的调转时间并且能使目标捕获与跟踪状态平稳切换。系统接收到引导信号并通过bang‑bang控制驱动电机以最大驱动力调转，在接近目标时切换为无超调预测控制快速接近目标并满足目标捕获条件。该方法是从最小时间控制问题上对系统进行优化，充分发挥了bang‑bang控制在大范围调转速度快的优势，以及无超调预测控制能时系统在有限时间内快速进入稳态的特点，使得系统位置进入误差带时不产生振荡，使两种控制方法优势互补，在不增加成本的情况下，提升了光电设备全过程调转的快速与稳定性。

Description

一种结合bang-bang控制与无超调预测控制的光电设备快速 调转方法
技术领域
本发明属于光电跟踪系统的快速调转领域，具体涉及一种结合bang-bang控制与无超调预测控制的光电设备快速调转方法，主要用于缩短系统调转时间，从而进一步保证目标图像捕获条件，增强了光电跟踪系统在快速调转时的性能。
背景技术
为了适应现代化光电设备跟踪目标时，要求在目标出现方位随机的环境下，设备在尽可能短的时间内调转到目标位置，满足图像捕获条件，并保持稳定跟踪，因此设备调转能力直接影响到目标跟踪的能力。要达到快速调转的目的，要求光电设备不仅在大行程中保证稳定性与快速性，也要在即将进入目标跟踪阶段时保证稳定性与精确性，具体体现为目标快速稳定进入电视视场范围并被图像算法捕获，因此光电设备快速调转的核心是在保证稳定和精确度下的快速调转。光电设备快速定位捕获跟踪目标，采用bang-bang控制能实现最短时间调转，而单bang-bang控制在精确定位时容易出现抖振现象，目前主要控制方式为大角度调转采用非线性bang-bang控制，引导位置误差较小时，切换为线性控制。非线性控制策略中，bang-bang控制在有极大优势，同时，大多数研究系统稳定性的内容中主要是关于参数的优化而非动态特性方面的考虑，因此在算法切换过程中采用带有快速无超调能力的TD控制可以同时保证传感器切换过程的平稳性和快速性，适合用于设备快速调转控制。
发明内容
针对基于光电设备调转过程使用bang-bang控制在误差较小时导致系统不稳定的问题，本文提出了通过结合bang-bang控制与无超调预测控制的方法，在系统接收到引导信号时，通过bang-bang控制驱动电机以最大驱动力调转，在接近目标时切换为无超调预测控制快速接近引导位置并满足目标捕获条件，利用bang-bang控制调转速度快和无超调预测控制能使系统快速切换至跟踪阶段的特点，以实现光电跟踪平台既稳又快的目标捕获控制。
为实现本发明的目的，本发明提供一种结合bang-bang控制与无超调预测控制的光电设备快速调转方法，其具体实施步骤如下：
步骤(1)：通过频率响应测试仪获取平台的速度对象模型Gv(s)。本发明所使用的力矩电机线性度好，调速范围宽、快速响应能力强并且在低速时，稳定性强，跟踪精度高，根据物理机理建模可以得到系统的参数模型，然后通过扫频法，确定模型参数，可以得到系统高度近似的速度传递函数模型Gv(s)。
步骤(2)：在得到被控对象速度模型Gv(s)的基础上，设计速度控制器Cv(s)实现闭环控制，然后在CCD位置环设计位置控制器，实现位置闭环，完成速度和位置双闭环控制。
步骤(3)：在获得引导位置后，系统通过bang-bang控制加速，此时位置环闭环。
步骤(4)：在接近目标引导位置后，变为快速无超调控制，使得目标迅速到达引导位置并具备捕获条件。
其中，步骤(1)中根据平台构造机理对Gv(s)建模如下：
Figure BDA0002453019000000021
其中，包括了两个惯性环节，一个纯滞后环节，K为模型增益，Tl为电磁时间常数，Ts为机电常数。通过扫频法绘制真实对象的bode曲线，调整Gv(s)参数使模型的bode曲线与真实对象的曲线重合，得到平台的模型。
其中，步骤(2)中的bang-bang控制器通过调整阈值，根据系统响应和电机能力确定切换条件。
其中，步骤(4)中的快速无超调控制器设计如下：
快速因子r，快速因子的选取取决于被控对象的承受能力和可提供的控制能力，通过0°～180°调转实验结果拟合快速因子，保证每个角度调转都无超调。
采样周期T＝0.005，采样周期取决于光纤陀螺的采样周期。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)与现有的线性PI控制器调转相比，本发明采用bang-bang控制，充分利用电机能力，实现此控制过程最短时间调转，大大提升了光电系统在大角度调转时的快速性。
(2)与bang-bang控制结合PI控制方法相比，本方法采用的无超调预测控制，能够显著提升算法切换过程中的平稳性。
(3)该发明的控制结构简单，响应快速，抗干扰能力强，能够保证光电设备在动平台工作的稳定性。
附图说明
图1是本发明的一种结合bang-bang控制与无超调预测控制的光电设备快速调转方法框图。
图2是本发明相对于直接速度切换方式的快速调转能力对比图，其中，图2(a)为直接速度切换与本发明的180°调转速度对比，图2(b)为图2(a)的调转速度部分放大图示。
图3是本发明相对于直接速度切换方式的180°位置调转对比图，其中，图3(a)为180°调转位置对比图，图3(b)为图3(a)的调转位置部分放大图示。
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所示是本发明的一种结合bang-bang控制与无超调预测控制的光电设备快速调转方法框图。其中包括编码器位置回路，陀螺速度回路，bang-bang控制器，无超调控制器；采用所述装置实现快速调转控制方法的具体实现步骤如下：
步骤(1)：通过频率响应测试仪获取平台的速度对象模型Gv(s)。本发明所使用的力矩电机线性度好，调速范围宽、快速响应能力强并且在低速时，稳定性强，跟踪精度高，根据物理机理建模可以得到系统的参数模型，然后通过扫频法，确定模型参数，可以得到系统高度近似的速度传递函数模型Gv(s)。
步骤(2)：在得到被控对象速度模型Gv(s)的基础上，设计速度控制器Cv(s)实现闭环控制，然后在CCD位置环设计位置控制器，实现位置闭环，完成速度和位置双闭环控制。
步骤(3)：在获得引导位置后，系统通过bang-bang控制加速，此时位置环闭环。
步骤(4)：在接近目标引导位置后，变为快速无超调控制，使得目标迅速到达引导位置并具备捕获条件。
其中，步骤(1)中根据设备机架的构造机理对Gv(s)建模如下：
Figure BDA0002453019000000031
其中，K为模型增益，Tl为电磁时间常数，Tm为机电常数。通过扫频法绘制真实对象的bode曲线，调整速度控制器Gv(s)参数使模型的bode曲线与真实对象的曲线重合，得到平台的模型。
其中，步骤(2)中的bang-bang控制器通过调整阈值，根据系统响应和电机能力确定切换条件。
其中，步骤(4)中的快速无超调控制器设计如下：
快速因子r，快速因子的选取取决于被控对象的承受能力和可提供的控制能力，通过0°～180°调转实验结果拟合快速因子，保证每个角度调转都无超调。
采样周期T＝0.005，采样周期取决于光纤陀螺的采样周期。
系统从1s开始调转，如图2是本发明的调转能力对比图，与bang-bang控制与PI双模控制相比，本发明解决了算法切换过程中出现的超调与算法快速过渡问题。在实际工程中，由于外界的扰动和载体本身的运动变化，还会影响到调转过程的稳定性。从图3可以看出，引入扰动信号后，bang-bang控制与PI双模控制调转过程有超调，0.3s调转到位；本发明系统调转算法切换过程无超调，0.24s调转到位，且本发明鲁棒性较强，能很好的应用在运动载体上，例如汽车和舰船等。

Claims (4)

1.一种结合bang-bang控制与无超调预测控制的光电设备快速调转方法，其特征在于，包含步骤如下：
步骤(1)：通过频率响应测试仪获取平台的速度对象模型Gv(s)；
步骤(2)：在得到被控对象速度模型Gv(s)的基础上，设计速度控制器Cv(s)实现闭环控制，然后在CCD位置环设计位置控制器，实现位置闭环，完成速度和位置双闭环控制；
步骤(3)：在获得引导位置后，系统通过bang-bang控制加速，此时位置环闭环；
步骤(4)：接近目标引导位置，此时误差变小，bang-bang控制能力不足，此时切换为快速无超调控制，使得目标迅速到达引导位置并具备捕获条件。
2.根据权利要求1所述的一种结合bang-bang控制与无超调预测控制的光电设备快速调转方法，其特征在于：步骤(1)中根据设备机架的构造机理对Gv(s)建模如下：
Figure FDA0002453018990000011
其中，K为模型增益，Tl为电磁时间常数，Tm为机电常数，通过扫频法绘制真实对象的bode曲线，调整速度控制器Gv(s)参数使模型的bode曲线与真实对象的曲线重合，得到平台的模型。
3.根据权利要求1所述的一种结合bang-bang控制与无超调预测控制的光电设备快速调转方法，其特征在于：步骤(3)中bang-bang控制时，同时使用编码器闭环保证系统可控性。
4.根据权利要求1所述的一种结合bang-bang控制与无超调预测控制的光电设备快速调转方法，其特征在于：步骤(4)中的控制算法切换是保证快速调转过程又快有稳的重要因素；切换时，采用跟踪微分器对引导信号进行处理，设计过渡过程，调试过程中逐步调整快速因子保证系统响应的快速性，并保证响应的动态过程平稳无超调。
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