云台控制系统

上海电力学院

本科毕业设计（论文）

题目：云台稳定性控制仿真

院系：自动化工程学院

专业年级：自动化（核电运行方向）2014届

学生姓名：乐瀚学号：20101500

指导教师：徐耀良

2014年6月11 日

【摘要】

最近几年来，随着计算机控制技术的发展，自动化技术在飞机驾驶中的应用在无人机飞上蓝天后，无人飞行器在军用领域，民用领域，以及工业领域，都受到了普遍关注，这也使得人们对无人飞行器的研究产生了浓厚的兴趣。

然而单纯的无人飞行器没有任何实际应用价值，当安装有探测监控设备的机载稳定平台后的无人飞行器就可以实现航拍，大地测量，民航定位，军事侦察等用途。如何使得无人机可以更多的更加智能化地执行某些特殊任务，如紧急搜救，精确制导，定向爆破，交通管制，反恐防暴等，这就需要无极飞行器可以对特定的目标进行智能跟踪，实时地传输目标信息，再由指挥人员指示下一步的操作。

云台是应用无人机侦查监控系统中不可缺少的配套设备之一，它与摄像机配套使用能达到扩大监视的目的，提高了摄像机的使用价值。本论文在分析了云台结构和控制要求的基础上，利用matlab对云台的转动以及调整进行了仿真实验，对云台的控制有了深入的说明研究。

关键词：无人机；云台；控制方法；PID控制器；解耦系统

【Abstract】

In recent years, with the development of the computer control technology, automation technology in the application of the plane driving after the uav flying in the blue sky, unmanned aerial vehicles in the field of military, civilian areas, as well as industrial applications, has received the widespread attention, it also makes people study of unmanned aerial vehicles produced the strong interest.

However simple unmanned aerial vehicles do not have any practical application value, when the installation has to detect airborne stabilized platform of the monitoring device can realize the aerial of unmanned aerial vehicles (uavs) and geodesy, civil aviation, military reconnaissance and other purposes.How to make the uav can be more more intelligently to perform specific tasks, such as emergency rescue, precision-guided, directional blasting, traffic control, anti-terror work, etc., which requires the infinite aircraft can be smart to specific target tracking, target information real-time transmission, to the next operation directed by the commander.

PTZ is application of a uav reconnaissance one of the indispensable equipment in the monitoring and control system, it with the camera can achieve the goal of expanding surveillance, to improve the use value of the camera.In this paper, the analysis of the PTZ, on the basis of structure and control requirements, PTZ rotation and adjust to make use of the matlab simulation experiment, an insight into the control of the PTZ research.

Key words: unmanned aerial vehicles (uavs);PTZ.Control method;The PID controller.Decoupling system

目录

1 绪论 (1)

2 云台介绍 (3)

2.1云台与荷载 (3)

2.2云台电机 (4)

2.3云台控制方法与算法 (4)

2.4云台的控制性能指标 (5)

2.4.1 云台的转动速度 (5)

2.4.2 云台的转动角度 (5)

2.4.3 云台的载重量 (6)

2.4.4 云台使用环境指标 (6)

3 云台控制系统设计 (7)

3.1云台稳定坐标系 (7)

3.2云台内部结构 (7)

3.3驱动电机 (9)

3.3.1 步进电机 (9)

3.3.2 步进电机工作原理 (10)

3.3.3 驱动电机性能指标 (11)

3.4云台控制方案选择 (12)

4 云台控制系统仿真及整定 (15)

4.1前期准备 (15)

4.2仿真工具 (18)

4.3仿真方案 (19)

4.3.1 串级控制 (19)

4.3.2 解耦控制 (20)

4.4解耦系统 (20)

4.4.1 相对增益 (20)

4.4.2 相对增益的确定方法 (22)

4.4.3 解耦控制方法 (22)

4.4.4 解耦设计方案 (23)

4.5整定分析结果 (26)

5 结论 (32)

5.1未来发展 (32)

5.2结束语 (32)

致谢 (34)

参考文献 (35)

1 绪论

我国在最近的几年，计算机控制技术的大力发展，自动化等高新技术在航空技术中的应用，取得了重大的进步。无人航空技术也取得了显著的进步，所谓无人飞行器，就是一种以无线电进行遥控或者有自身反应程序的不载人飞机，无人飞行器是自动化技术和计算机控制技术的集中体现，它广泛应用在现代战争侦查，民事清障，以及农业地质勘测中，为我们生活的各个方面提供了极大的便利。

无人飞行器在军用领域，民用领域，以及工业领域，都受到了普遍关注，这也使得人们对无人飞行器的研究产生了浓厚的兴趣。然而单纯的无人飞行器没有任何实际应用价值，当安装有探测监控设备的机载稳定平台后的无人飞行器就可以实现航拍，大地测量，民航定位，军事侦察等用途。如何使得无人机可以更多的更加智能化地执行某些特殊任务，如紧急搜救，精确制导，定向爆破，交通管制，反恐防暴等，这就需要无极飞行器可以对特定的目标进行智能跟踪，实时地传输目标信息，再由指挥人员指示下一步的操作。

美国现役的无人侦察机“影子-200”，飞行速度平均为120公里每小时，航空时间最高 5-6小时，最高可以飞至四千多米的高空，装备有图像照相机、红外摄像机等高科技勘察工事。可见无人机的侦察定位能力，在军事中始终是放在首位的。目前世界上的云台摄像控制技术系统已经日趋成熟，它在军事战争上的应用越来越广泛的同时，也为人们的生产生活提供了很大的方便，还给老百姓的生命财产的安全提供了有力保障。云台控制摄像系统已经在不知不觉中进入了生活中的每个角落，在有必要对某个方位进行监控的时候，云台摄像机可以很直接地取代人力，从很大程度上减少了人力资源的浪费，还可以根据使用者的要求进行实时远程监控，这一点在生活生产中是极为有利的，可以很大程度上节约时间。目前市面上所生产的云台控制器，大都采用一体化设计，这种设计方法具有密封性能好、集成度高便于安装等优点。

空中航拍、空中摄影、空中巡航监控还有系留空平台控制，一般情况下都需要使用云台进行控制，一般遥控飞行器，云台的控制一般使用的是无线电控制，而系留空中平台的云台既可使用有线也可使用无线方式传输，在航拍航摄的过程中，不仅仅需要控制摄像机或者照相机的方向，同时还应该具备镜头的变焦和快门的功能。

无人飞行器需要在高空完成对低空以及地面的侦察跟踪任务,这就需要摄像机之类的视觉传感器可以始终对准目标传输进行实时的图像传输，所以在一般的情况下需要搭载一个稳定的视觉设备安装平台。它的作用一是为了隔离载体与外界的扰动，保证相对的惯性空间的平稳；二是能够快速的根据控制要求进行快速的反应，追踪跟踪目标，实时进行转动调整。飞行器在空中飞行时，会受到气压，温度，降

水，降雪等影响，无法保持平衡，甚至机体本身的内部震动也会造成机体摇晃，如果云台系统可以克服这些干扰，成功地保持本身的平稳而不被机体影响，那么云台上的视觉监控设备就可以成功地实现对目标的监控与跟踪，从而在军事，民事，上更加广泛地使用。随着科技的发展，世界各国军事技术的更加精确化，自动化的需求，从调整速度，准确度，以及机动性各个方面，对云台的稳定，提出了更高的要求。

一般来说，无人机的视觉系统安装在云台上时，需要实现竖直方向和水平方向的转动，以使视觉系统可以完成对各个方向的情况拍摄。承载摄像机和摄像机支架，进行两个方向转动的装置，就是云台，一般分为固定云台和电动云台两种。通常，我们把云台理解为一种可以在水平和竖直两个方向上转动的设备，在它上面可以安装需要在这两个方向上转动的其他设备，如摄像机，照相机等。无人飞行器上的各种任务载荷，如：光电传感器，红外传感器，合成孔径雷达，激光雷达，激光测距仪以及各种导弹，机载机枪等武器设备，都需要这样的云台。另外，云台还可以接受操作人员指令，实时改变，或者保持某一个特殊的角度等功能。云台根据使用场合的不同，还可以选择其他的某些特性，如抗高热，抗高压，防暴，防水，防风等。云台的这些功能都是为了云台可以在飞行过程中进行性更加合适，更加精准地进行有效作业。

由此可见，在人类无人机的发展历史中，机载云台作为无人飞行器的一个不可缺少的部分，对其所需的技术进行全面而严谨的研究有着重要的意义。

2 云台介绍

如图2-1是一部无人机云台摄像机，摄像机云台是一种安装在摄像机支撑物上的工作平台，方便摄像机与支撑物之间的连接，同时它还具备了使摄像机全方位转动的功能，在云台水平、垂直运动的同时，它也带动摄像机做相同的运动，这样就能通过控制云台的运动来控制摄像机的运动，它与摄像机配套使用能达到扩大监视范围的目的，提高了摄像机的使用价值。云台的核心器件是步进电机，所以本设计的重点就是如何灵活的控制步进电机的运转，从而达到灵活的控制摄像机的目的。云台可以按照运动功能、工作电压、承载重量、安装方式、使用环境等分类。

图2-1 无人机云台摄像机

2.1 云台与荷载

根据飞行器的用途种类的不同，云台上的载荷也会不同或者根本不需要任载荷，如军用的无人靶机、诱饵无人机、引导无人机都是不需要任何载荷的。有写任务载荷也不需要云台的支持，如微型无人机微型摄像机，直接固定就好了。但是绝大多数的飞行器，都是需要云台来支持载荷的，如绝大多数的攻击型无人机的武器和广泛侦查无人机的视觉设备。都是需要云台来调整方向，进行各个方位的旋转的。

侦查无人机的荷载一般是光学照相机，红外测距仪，光电传感器，红外传感器，合成孔径雷达，激光雷达等。攻击型的无人机则需要侦查设备以及攻击武器任务荷载。武器类任务荷载主要有反辐射超小型战斗部，非动能或混合型战斗部，小型精确制导武器等。由于无人机的应用越来越广泛，云台的荷载也会层出不穷，从最初的照相机，发展到实时摄像机，再到现在各种武器设备等。无一不是对飞行器功能的完善，因此更加注重云台的功能。

随着科技的发展，很多设备已经不再搭载在云台上，如光学照相机，红外扫描仪等；为武器制导的激光测距器，使得荷载有了更加精准的瞄准功能，从而使无人机可以更加轻松的进行攻击任务；更加先进的设备和仪器正在被研制出来，如合成孔径雷达和毫米波雷达之类的有源成像探测，越来越多的出现在视野中。任务探测器，有像多频谱，高频谱发展的趋势。

2.2 云台电机

电机是电动云台中非常重要的元器件之一，选用是否正确将直接影响电动云台的性能与价格。

全方位电动云台需要两个不同方位的旋转自由度，所以都具有两个相互独立的传动机构。电动云台的传动机构主要是由蜗轮、蜗杆和齿轮组合而成，根据电机转速，确定总传动比，然后依据传动装置的总体布置，将传动比合理地分配到各级传动中去。合理分配传动比是设计传动机构的一个重要环节，它将直接影响到传动装置的外形尺寸、重量、润滑条件和减速齿轮的中心距等。各级传动比分配的一般原则是:使各级传动的承载能力接近相等;使减速机构能获得最小的外形尺寸、重量;

使传动零件的圆周速度降低。另外，选用微型变速箱的齿轮传动，也可以减小体积、提高效率、减小噪声[1]。

确定电动云台的最大负载，然后选用合适的电机。尽可能选用低压电机。由于全方位电动云台是由垂直和水平两部分独立的传动机构组的，而垂直方向的传动机构是主要承载机构，所以在设计时是以垂直方向的传动机构作为主要承载机构来设计，而水平方向的传动机构只受水平磨擦转矩和电缆拖带等所产生的转矩影响。根据设计经验，水平方向所选用的电机功率一般为垂直方向的一半。

2.3 云台控制方法与算法

在无人机使用带有云台支持的任务荷载进行侦查和战斗时，由于无人机的目标是时刻变化的，且任务荷载的不同，控制云台的输入参数也不一样，各种变化很多，所以对云台的控制也是一个比较复杂的过程。

对于云台的控制，最基本的是对云台转动所使用的电机进行控制，电机的种类很多，性能上的差别也很大，而且因为云台以及荷载的不同所选择的的电机也是不同的。但是在所使用的控制算法方面,实际应用最广泛的还是PID控制算法。虽然各种新的算法不断地被提出，如模糊PID算法，蚁群算法，神经网络算法等，但是绝大多数还是处于理论研究阶段，实际应用并不是很多。

由于无人机使用云台最多的也是最基本的功能就是获取目标图像，因此使用云台摄像机获取的图像并且对云台的转动进行控制的方法被广泛的研究，一般称为视觉反馈控制。在无人机进行摄像作业的时候，摄像机的视野会因无人机的姿态变化发生偏移，从而导致丢失被摄取目标；如果无人机的飞行速度比较高，摄取的图像也会变得模糊不清；如果无人机的转动速度比较大，那么摄取的图像是跳动的；各种原因都使得无人机不能稳定地拍摄图像。在一些军用无人机上，惯性稳定控制装置都被用来补偿其航空光电侦查平台上的云台摄像机因飞行姿态变化而引起的视野变化，但是这种平台的重量一般在30kg以上，很难广泛应用[2]。

为了使无人机云台摄像机可以获得稳定清晰连续的图像，有很多值得研究的内

容。最新的研究提出了一种基于人眼的仿生学控制方法，国内外都有积极的研究，人眼在获取视觉图像上有很多可以借鉴的优点，生理学专家发现，因为头部运动导致的人眼视线偏离可以被“前庭动眼反射”快速补偿，人眼的“平滑追踪运动”，能使人平滑地注视人眼需要追踪的目标，人眼的“视动运动”可以使人快速的清楚地看见背景是运动的物体。对人眼运动和人控制眼球运动的仿生技术。正在逐渐不应用于控制机载云台的运动。

为使用无人机自动跟踪和检测目标，计算机视觉领域里的各种跟踪和检测方法也在不断地被应用到机载云台系统上，很多先进的无人机都有此功能，如美国的“捕食者”无人机等。图像目标的检测和跟踪的算法也很多，但是要在实际应用环节中取得实时性和鲁棒性却很难，有很多值得研究的内容，国内外正在广泛积极地研究。

2.4 云台的控制性能指标

云台的稳定性是影响任务载荷正常工作的性能发挥的重要因素，如果稳定性不好，将使得无人机执行任务的性能大打折扣，有的任务载荷还需要云台有很高的定位精度，如激光探测仪等。由于云台装在无人机上，飞机的震动以及各种外界因素，对云台的干扰会很多，很容易干扰到载荷的正常工作。为了使云台在各种环境中都有较好的惯性稳定性和定位精度，这方面的工作有从材料使用展开的，也有从震动补偿中进行的。在国外有些无人机的高精度侦查系统和激光通信系统中，采用先进材料隔离干扰源，以及建立振动模型进行振动补偿等方法，已经使得精度达到了微弧度级别。

2.4.1 云台的转动速度

云台的转动速度衡量云台档次高低的重要指标。云台水平和垂直方向是由两个步进电机驱动的，因此云台的转动速度也分为水平转速和垂直转速。由于载重的原因，垂直电机在启动和运行保持时的扭矩大于水平方向的扭矩，在加上实际监控时对水平转速的要求要高于垂直转速，因此一般来说云台的垂直转速要低于水平转速。直流型云台大都采用的是直流步进电机，具有转速高、可变速的优点，十分适合需要快速捕捉目标的场合。直流型云台都具有变速功能，提供的电压是直流0至36V之间的变化电压。变速的效果由控制系统和解码器的性能决定，以使云台电机根据输入的电压大小做相应速度的转动[3][4]。

2.4.2 云台的转动角度

云台的转动角度尤其是垂直转动角度与负载（防护罩/摄像机/镜头总成）安装方式有很大关系。云台的水平转动角度一般都能达到355°，因为限位拴会占用一定的角度，但是出现少许的监控死角。当前的云台都改进了限位装置使其可以达到360°甚至365°（有5°的覆盖角度），这里我们的云台就要达到355°的转角。

2.4.3 云台的载重量

云台的最大负载是指垂直方向承受的最大负载能力。摄像机的重心（包括防护罩）到云台工作面距离为50mm，该重心必须通过云台回转中心，并且与云台工作面垂直，这个中心即为云台的最大负载点，云台的承载能力是以此点作为设计计算的基准。如果负载位置安装不当，重心偏离回转中心，增大了负载力矩，实际的载重量将小于最大负载量的设计值。因此云台垂直转动角度越大，重心偏离也越大，相应的承载重量就越小。

云台的载重量是选用云台的关键，如果云台载重量小于实际负载重量不仅会使操作功能下降，而且云台电机、齿轮也会因为长时间超负荷而损坏。云台的实际载重量可以从3Kg到50Kg不等，同一系列的云台产品，侧装时的承载能力要大于顶撞，高速型的承载能力要小于普通型。

2.4.4 云台使用环境指标

室内使用的云台的要求不高，云台的使用环境的各项指标主要针对室外使用的云台。其中包括使用环境温度限制、湿度限制、防尘防水的IP防护等级。一般室外环境使用的云台温度范围为-20℃至+60℃，如果使用在更低温度环境下，可以在云台内部加装温控型加热器。湿度指标一般为95%不凝结。防尘防水的IP等级应达到IP66以上。IP防护等级的高低反映了设备的密封程度，主要指防尘和液体的侵入。另外在实际使用中应根据环境选择使用相适合的材料和防护层，如铁质外壳不适合使用在潮湿和具有腐蚀性的环境中。

3 云台控制系统设计

3.1 云台稳定坐标系

如图3-1所示，为云台稳定坐标示意图，云台的转动有两个方向共同协调控制，云台由两个框架构成，外框架为方位框，内框架为仰角框，方位框通过支撑轴Z固定在无人机上，仰角框由支撑轴X固定在方位框上，X，Z互为垂直的轴系，摄像机固定在仰角框的平台上，其视角轴与Y轴平行。

图3-1 双轴稳定坐标系

OX

b Y

b

Z

b

为机体坐标系，OX

f

Y

f

Z

f

为仰角框坐标系，OX

a

Y

a

Z

a

为方位框坐标系，OX

a

Y

a

Z

a

绕OZ

a 的转角θ

a

为方位角，OX

f

Y

f

Z

f

绕OX

f

为轴的转角θ

f

是俯仰角。摄像机安装在仰

角框 OX

f Y

f

Z

f

上，视角轴与OY

f

平行。

通过控制方位框坐标系和仰角框坐标系上的位置，就可以让云台在各个方位上进行转动，从而摄像机的镜头也可以拍摄到各个方位。通过方位框的水平旋转，仰角框的竖直方向的旋转，摄像机可以拍摄全方位的图像传输给机体，然后机体通过无线电设备传输给控制人员进行分析指导下一步的指令，从而达到全方位控制摄像机的效果。

3.2 云台内部结构

全方位云台内部有两个电机，分别负责云台的上下和左右各方向的转动。其工作电压的不同业决定了该云台的整体工作电压，一般有交流24V、交流220V、及直流24V。当接到上下动作电压时，垂直电机转动，接到左右动作电压时，水平电机转动。

需要说明的是云台都有水平、垂直的限位拴，云台分别由两个微动开关实现限

位功能。当转动角度达到预先设定的限位时，微动开关动作切断电源，云台停止转动。限位装置可以位于云台外部，调整过程简单，也可以位于云台内部，通过外设的调整机构进行调整，调整过程相对复杂。但外置限位装置的云台密封性不如内置限位装置的云台。

云台分为室内云台和室外云台，室外云台与室内云台大体一致，只是由于室外防护罩重量较大，使云台的载重能力必须加大。同时，室外环境的冷热变化大，易遭到雨水或潮湿的侵蚀。因此室外云台一般都没有设计成密封防雨型。另外室外云台还具有高转矩和扼流保护电路以防止云台冻结时强行启动而烧毁电机。在低温的恶劣条件下还可以在云台内部加装温控型加热器[6]。

图3-2 云台拆分结构图

某个云台机械结构参数如表3-1。

表 3-1 机械结构

图3-3 云台实物图

3.3 驱动电机

电机是电动云台中非常重要的元器件之一，选用是否正确将直接影响电动云台的性能与价格。

全方位电动云台需要两个不同方位的旋转自由度，所以都具有两个相互独立的传动机构。电动云台的传动机构主要是由蜗轮、蜗杆和齿轮组合而成，根据电机转速，确定总传动比，然后依据传动装置的总体布置，将传动比合理地分配到各级传动中去。合理分配传动比是设计传动机构的一个重要环节，它将直接影响到传动装置的外形尺寸、重量、润滑条件和减速齿轮的中心距等。各级传动比分配的一般原则是:使各级传动的承载能力接近相等;使减速机构能获得最小的外形尺寸、重量;

使传动零件的圆周速度降低。另外，选用微型变速箱的齿轮传动，也可以减小体积、提高效率、减小噪声。

确定电动云台的最大负载，然后选用合适的电机。尽可能选用低压电机。由于全方位电动云台是由垂直和水平两部分独立的传动机构组的，而垂直方向的传动机构是主要承载机构，所以在设计时是以垂直方向的传动机构作为主要承载机构来设计，而水平方向的传动机构只受水平磨擦转矩和电缆拖带等所产生的转矩影响。根据设计经验，水平方向所选用的电机功率一般为垂直方向的一半。

3.3.1 步进电机

在工业控制系统中，通常要控制机械部件的平移和转动，这些机械部件的驱动大多都采用交流电机、直流电机、和步进电机。在中三种电机中，步进电机最适合数字控制。本设计中单片机作为数字控制器件，因此在本系统中毫无疑问的选择了

步进电机。如何运用步进电机无疑是单片机云台控制系统中的重点。因此需要详细

的了解步进电机。

3.3.2 步进电机工作原理

步进电机是数字控制电机，它将电脉冲信号转变成角位移，实质上是一种数字/角度转换器。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。步进电机的转子为多级分布，转子上嵌有多相星型连接的控制绕组，由专门电源输入脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。

步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大；混合式步进是混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由输入脉冲的频率决定。

该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图3-4是四个开关信号控制四相反应式步进电机工作原理示意图。

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

图３-4 四相步进电机步进示意图

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图3-5a、b、c所示：

a. 单四拍

b. 双四拍 c八拍

图３-5 步进电机工作时序波形图

步进电机的驱动电路依据控制信号工作，控制信号由单片机产生，完成以下三种功能：

（1）控制换相顺序

通电换向这一过程称为脉冲分配。对于四相步进电机而言，其各相通电顺序如

图3-5所示，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D、A、B C、D相的通断。

（2）控制步进电机的转向

如果按给定方向的正序换相通电，步进电机正转；如果按反序通电换相，步进电机反转。

（3）控制步进电机的速度

如果给步进电机发送一个控制脉冲，它就转一步，再发送一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转的越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速[7]。

3.3.3 驱动电机性能指标

选择步进电机需要根据实际需要和技术指标综合考虑。步进电机只有在满足额定的工作条件下，才可以正常工作。主要技术指标有：

（1）工作电压：即步进电机工作所需要的工作电压。

绕组电流：只有绕组有电流时，才能建立磁场，且不同相上电流的有无决定步进电机的步进。不同的步进电机，其额定绕组电流也不一样。功率小的有几百毫安，功率大的以安培计。步进电机工作时，应使其工作在此电流下。

（2）转动力矩：转动力矩是指在额定条件下（电压、电流），步进电机的轴上所能产生的转矩，单位通常为牛顿每厘米(N/cm)。转动力矩会随转动的升高而下降，当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高反向电动势越大，在它的作用下，电机随频率或速度的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

（3）保持转矩：保持转矩是指步进电机通电但是没有转动时，定子锁住转子的力矩。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩岁转速增大而不断衰减，输出功率也随速度增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机的重要参数。

（4）步进角：步进电机每走一步实际上就是转子转一个角度。不同的电机，每步转动的角度不一样。小的有0.5度每步、1.5度每步，大的到15度每步。在应用中可根据用户的需求选用。

（5）精度：一般步进电机的进度为步进角的3～5%，且不积累。采用细分技术可以提高电机的运转精度。细分技术实质上是一种电子阻尼技术，起主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。

（6）工作频率：即步进电机每秒钟走的额定步数。由于步进电机的走步实际上是转子的机械运动，不可能很快。例如，有的工作频率为500Hz，就意味着每走一步需要2ms。目前频率高的可达10KHz。但是总的来说步进电机的速度是十分慢的。

（7）空载启动频率：即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢失或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要是电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频[8]（电机转速从低速到高速）。

（8）激励方式：以四相电机为例，驱动它的激励方式有1相、2相、1-2相三种。1相激励方式是指每一时刻4相中只有一相导通，步进电机以此工作方式工作时，温升较高，电源功率功耗小，但是当速度较高时容易产生失步；2相激励方式是指每一时刻4相中都有两相导通，然后按4相的顺序循环；1-2相激励方式是指驱动时一相导通和两相导通交替出现的。

（9）外表温度：步进电机温度过高会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。

3.4 云台控制方案选择

比例积分微分控制器（PID调节器）是一个控制环，广泛地应用于工业控制系统里的反馈机制。PID控制器通过调节给定值与测量值之间的偏差，给出正确的调

整，从而有规律地纠正控制过程。

PID控制器算法涉及到三个部分：比例，积分，微分。比例控制是对当前偏差的反应，积分控制是基于新近错误总数的反应，而微分控制则是基于错误变化率的反应。这三种控制的结合可用来调节过程系统，例如调节阀的位置，或者加热系统的电源调节。根据具体的工艺要求，通过PID控制器的参数整定，从而提供调节作用。控制器的响应可以被认为是对系统偏差的响应。注意一点的是，PID算法不一定就是系统或系统稳定性的最佳控制。

一些应用可能只需要运用一到两种方法来提供适当的系统控制。这是通过把不想要的控制输出置零取得。在控制系统中存在P,PI,PD,PID调节器。PI调节器很普遍，因为微分控制对测量噪音非常敏感。积分作用的缺乏可以防止系统根据控制目标而达到它的目标值。

一个关于控制环类似的例子就是保持水在理想温度，涉及到两个过程，冷、热水的混合。人可以凭触觉估测水的温度。基于此他们设计一个控制行为：用冷水龙头调整过程。重复这个过程，调节热水流直到温度处于期望的稳定值。

感觉水温就是对过程值或变量的测量。期望得到的温度称为给定值。控制器的输出对象和过程的输入对象称为控制参数。测量值与给定值之间的差就是偏差值，太高、太低或正常。作为一个控制器，在确定温度给定值后，就可以粗略决定改变阀门位置多少，以及怎样改变偏差值。首次估计即是PID控制器的比例度的确定。当它几乎正确时，PID控制器的积分作用就是起着逐渐调整温度的作用。微分作用就是根据水温变得更热、更冷，以及变化速率来决定什么时候、怎样调整那些阀门。当偏差小时而做了一个大变动，相当于一个大的调整控制器，会导致超调。如果控制器反复进行大的变动并且反复越过给定值的改变，控制环将会不稳定。输出值将在期望值或一常量周围摆动，甚至破坏系统稳定性。人不会这样做，因为我们是有智慧的控制人员，可以从历史经验中学习，但PID控制器没有学习能力，必须正确的设定。为有效的控制系统选择正确的参数被称为整定控制器。

如果控制器在零偏差从稳定开始，然后进一步的变化将导致其它一些影响过程的能测量、不能测量值的变化，并且作用于偏差值上。除主过程以外，其他的对扰动有影响的过程可以用来抑制扰动或实现对目标值的改变。供给水温的变化就构成了对过程的一个扰动。

理论上，控制器能用来控制可测量对象，以及可以影响偏差的输出、输入标准值的所有过程参数。控制器在工业中被用来调节温度，压力，流速，化学组成，速度以及其它任何存在可测量的对象。汽车游览控制就是一个自动化的过程控制的例子。

由于它们悠久的历史，简易，良好的理论基础以及简单的设置、维护要求，PID 控制器被许多应用实践所采纳。

两种方法相比较，第一种算法，响应速度够快。无法做到运动平滑的要求，会使平台运动起来顿挫感很强烈；而PID控制算法应用较为广泛，使用方便，运动平滑和响应速度都可以改进，算法理解难度不会很高。本次实验的对象为云台两个方向上的控制，两个方向有一定得干扰，故而选用PID算法，使用解耦系统控制[9][10]。

4 云台控制系统仿真及整定

4.1 前期准备

PID控制器理论

注释：这部分描述PID控制器理想平行或非相互作用的形式。关于其他形式，请看“其它的表达式和PID形式”这部分。

PID控制是根据它的三个参数而命名的，三参数结合起来就形成控制参数。因此：

（4-1）Pout，Iout和Dout是控制器的三个参数，下面分别予以确定。

（1）比例度

比例度是根据当前的错误值而做出的变动。比例度可以通过恒定的Kp增加来调整，称为比例增益。

比例度计算如下：

（4-2）Pout:比例度

Kp：比例系数，协调参数

e:偏差=SP-PV

t:时间或瞬时时间（当前的）

一个高的比例增益产生于一种输出值的大的变化。如果比例增益太高，系统将变得不稳定。响应地，一个小的调整产生于一小的输出变化，而如果比例增益太低，当对系统振荡作出反映时，控制作用可能太小。

缺少扰动的情况下，纯粹的比例控制不能完全解决问题，但是将保留从过程中获得的具有比例增益的功能的稳态偏差。尽管有稳态补偿，理论和工业实践都表明比例度在输出控制中起到大部分的作用。

（2）积分值

积分值的大小与偏差的大小及持续时间成正比。根据即时的超时的错误改正，进行积累补偿。积累的误差通过积分调节后再作用于输出。对总的控制作用的积分大小由积分时间常数来决定，即Ki，积分值计算如下：

（4-3）Iout：积分值

Ki:积分时间常数，协调参数

e:偏差=SP-PV

ζ：积分时间

积分值加速面向设定值的过程运动并且消除残余的只与控制器发生作用的稳态偏差。然而，因为积分从过去的积累误差作出反应，引起当前的值越过设定值（跨过设定值向其它方向改变）。想了解更多的关于积分和控制器稳定度的知识，请参见关于环路调谐的部分。

（3）微分值

过程偏差的变化率通过超时错误的斜率来计算（即它第一个关于调节的微分），并增加由微分时间常数Kd引起的变化的速率。对整个控制行为的微分作用的大小称为微分值Kd。

微分值计算如下：

（4-4）Dout:微分输出值

Kd:微分时间常数，协调参数

e:偏差=SP-PV

t:时间或瞬时时间（当前的）

微分作用减缓了控制器输出的变化率，这种效果最接近于控制器的给定值。因此，微分控制用来降低由积分部分产生的因素并改进控制器过程控制的稳定度。但是，信号噪音对偏差值非常敏感，而且如果噪音和微分度足够大的话，将使系统变得不稳定。

（4）PID控制器输出

三种参数控制的输出值，比例，积分和微分综合起来能够计算出PID调节器的输出，计算控制器输出时，PID算法的最终形式u(t)为：

（4-5）协调参数分别是：

Kp:比例增益—偏差愈大时，Kp也愈大，比例期补偿更大。过大的比例增益会导致系统的不稳定乃至崩溃。

Ki:积分，Ki越大时，稳态偏差会更迅速地被消除。在达到稳态之前，在瞬态响应期间组合的任何误差必须分开。

Kd：微分。Kd越大时，越容易超调，但是不同扰动区域的信号噪音的瞬态响应可能导致系统的不稳定。

（5）环路调谐

如果PID控制器参数选择的不正确，控制过程输入可能是不稳定的，即：它的输出有分歧，有或没有动摇，并且只通过饱和或者机械破损是有限的。控制环的协