光电跟踪仪伺服控制系统原理及发展现状

光电跟踪仪伺服控制系统原理及发展现状2012年 6 月目录摘要................................................................................................ 错误!未定义书签。

第1章引言.................................................................................. 错误!未定义书签。

第2章光电跟踪仪伺服控制系统的基本原理.......................... 错误!未定义书签。

2.1计算机控制单元...................................................................... 错误!未定义书签。

2.2环路控制单元.......................................................................... 错误!未定义书签。

第3章光电跟踪仪伺服控制系统的关键技术.......................... 错误!未定义书签。

3.1瞄准线稳定技术...................................................................... 错误!未定义书签。

3.2复合控制技术.......................................................................... 错误!未定义书签。

3.3等效复合控制与预测滤波技术.............................................. 错误!未定义书签。

3.4共轴跟踪技术.......................................................................... 错误!未定义书签。

3.5复合轴控制技术...................................................................... 错误!未定义书签。

3.6其它高精度控制技术.............................................................. 错误!未定义书签。

第4章光电跟踪仪伺服控制系统的国内外发展现状及趋势.. 错误!未定义书签。

4.1国内外发展现状...................................................................... 错误!未定义书签。

4.2发展趋势.................................................................................. 错误!未定义书签。

光电跟踪仪伺服控制系统原理及发展现状摘要光电跟踪仪中的伺服控制系统是光电跟踪设备的重要组成部分，其跟踪精度是衡量光电跟踪设备的主要指标，实现高精度跟踪控制，成为许多高精度光电跟踪设备必须解决的难题之一。

因此要获得高精度的光电跟踪仪，必须深入了解其伺服控制系统。

本文从光电跟踪仪伺服控制系统的基本原理、关键技术及其国内外发展现状与发展趋势三方面对其进行了介绍，为伺服控制系统的设计及研究提供了参考。

关键词：光电跟踪，伺服控制系统，跟踪精度1第1章引言光电跟踪伺服控制系统是一个包括光电探测、信号处理、控制系统及精密机械等几部分组成的复杂设备。

它的主要功能是根据光电传感器送来的目标位置偏差信号的大小及方向控制伺服电机驱动跟踪轴，减小偏差，实现对目标的光电闭环自动跟踪，其具有实时性、精度高的特点，在靶场测量、武器控制、航空等各种军用与民用领域有着广泛的应用。

随着现代技术的发展、目标机动性能的增强，对光电跟踪仪的伺服控制系统要求越来越高，要求其响应更快、稳定和跟踪精度更高。

某些系统甚至要求跟踪精度达到1μrad。

多年来，国内外的科技工作者在提高光电跟踪仪伺服控制系统跟踪精度方面进行了深入的伺服控制策略方面的研究。

为此，深入了解光电跟踪仪伺服控制系统的工作原理、关键技术的应用与研究及国内外发展现状，对于探讨进一步提高其性能指标的方法具有重要的意义。

光电跟踪仪伺服控制系统原理及发展现状第2章光电跟踪仪伺服控制系统的基本原理该系统一般由计算机控制单元、环路控制单元、电源及控保单元、功率驱动单元及转台、驱动电机组成。

其基本原理是：计算机控制单元接受光电传感器送来的目标位置偏差信号（引导信号），并采集各端口的控制状态，根据当前的工作模式，经过一定的算法运算对信号进行处理后，送至环路控制单元，环路控制单元通过控制伺服转台电机驱动转台带动光电传感器，使光电传感器的光轴指向目标，达到自动跟踪的目的。

2.1计算机控制单元计算机控制单元主要完成接收转台测角数据、接收激光距离数据、接收电视差值数据、完成系统自检、采集各种工作状态和通道切换等功能。

系统具有手动、自动和引导等工作模式。

程序控制流程如图2-1所示。

图2-1 程序控制流程2.2环路控制单元为保证系统具有良好的控制特性，环路控制模块通常采用位置环、速度环、电流环三环控制技术。

其结构如图2-2所示。

3图2-2 系统环路结构其中，电流环是系统内环，可以看作速度环的一个环节，具有控制电机电流、防止电机电流超过额定值、拓宽系统带宽、抵抗负载力矩扰动和改善电机动态性能等功能。

为使电机电流超调量小，电流环设计成典型Ⅰ型系统，其结构如图2-3所示。

速度环设计成Ⅱ型系统，其结构如图2-4所示。

位置环保证系统按一定的精度完成自动跟踪，为保证系统跟踪精度，位置环设计成Ⅱ型结构，其结构如图2-5所示。

Ⅱ型结构与Ⅰ型结构相比，具有抗干扰能力强，速度响应无静差的优点，缺点是超调量大。

图2-3 电流环环路结构图2-4 速度环环路结构图2-5 位置环环路结构光电跟踪仪伺服控制系统原理及发展现状第3章光电跟踪仪伺服控制系统的关键技术3.1瞄准线稳定技术在光电跟踪伺服系统中，由于载体的姿态变化，扰动力矩都会使瞄准线指向发生变化，为了能对被观测目标进行跟踪观测，要求光电平台指向能按照给定指令按一定规律运动。

跟踪伺服系统会受到周期性的扰动，造成跟踪精度下降，甚至丢失目标。

为准确跟踪目标，减小载体运动给跟踪瞄准带来的扰动误差，须建立稳定分系统将天线视轴与基座扰动隔离，达到输出视轴“稳定”在惯性空间方向。

目前，工程上常用的两轴稳定一般有两种方法：一种是解算稳定技术，另一种是陀螺稳定技术。

解算稳定技术是利用载体上的导航系统提供的偏航、横摇、纵摇等姿态信息，通过计算机进行实时坐标变换，将载体的姿态运动信息转换到瞄准线的方位角和俯仰角的等效运动，利用天线伺服系统控制天线向相反方向运动，实现瞄准线的稳定。

其缺点稳定精度与载体提供的姿态信息精度和实时性关系密切。

陀螺稳定技术主要原理是在天线方位和俯仰轴上安装两个敏感轴相互垂直的速率陀螺，分别敏感出天线在方位和俯仰上相对于稳定坐标系的运动，并将此信号作为速度反馈，以此实现回路稳定。

由于稳定是二维的，而扰动时三维的，载体绕第三轴的运动无法被陀螺所敏感而造成牵连运动。

它造成了无线电轴随载体的摆动，使其偏离了跟踪目标，稳定系统无法消除这种扰动。

为此，载体摆动引起的电轴偏离跟踪目标所产生的误差，由计算机补偿来完成。

采用速度陀螺的自稳回路是目前通用的一种自稳定技术。

其充分将载体本身提供的姿态数据引入到系统中，增加一个控制环路可以很好地提高系统对载体摇摆和低频振动基座的隔离度。

3.2复合控制技术在一般的闭环控制中，通过提高开环增益或者增加积分环节以提高无差度来提高跟踪精度，但同时给系统的稳定性造成了影响。

复合控制就是在闭环控制系统中再增加一开环控制支路，用以提供输人信号的一次微分或二次微分。

该系统被称为复合控制或前馈控制系统。

利用复合控制可以较好地解决一般闭环伺服系统普遍存在的跟踪精度与稳定性之间的矛盾，很容易将跟踪精度提高几倍乃至几十倍，但又不影响原闭环系统的稳定性。

53.3等效复合控制与预测滤波技术在激光、红外和电视等光电跟踪系统中，传感器只能提供目标与传感器视轴之间的偏差，即跟踪误差，无法给定目标的空间坐标位置，因此也无法给出目标的速度与加速度，所以直接应用复合控制是无法实现的。

解决的办法一种是等效复合控制，即采用速度滞后补偿的办法。

因目标位置为瞄准线位置和传感器的跟踪误差之和，即0i θθθ=+∆则0i d d d dt dt dtθθθ∆=+ 通过上述运算就可近似得到目标速度，进而构成复合控制。

显然传感器系统测得的跟踪误差具有滞后性，所以可以通过滞后补偿技术或者预测滤波技术进一步提高跟踪精度。

也就是第二种方法即采用滤波预测技术，用滤波预测技术可在跟踪中预测目标位置和速度等运动参数。

常用的预测滤波有几种。

即有限记忆最小平方滤波、常增益最优递推滤波、自适应滤波和卡尔曼滤波。

3.4共轴跟踪技术为了抑制目标回波起伏和接收机噪声必须把伺服系统的带宽限制在很窄的范围内，在现代雷达伺服控制系统中，更多的是采用数据处理技术对数据加以滤波修正，从而达到减小系统总误差的目的。

共轴跟踪技术就是把滤波与伺服两者分离即把目标数据输出与天线指向分离开来，采用数字处理技术提供精确的雷达数据输出，而伺服系统只保证天线的跟踪指向，从而解决了雷达输出数据的精度受伺服系统质量束缚的限制。

采用共轴跟踪技术构成的光电跟踪仪伺服控制系统有两部分组成，一是目标位置合成、滤波、预测；二是后面的数字随动系统，这两部分基本是相互独立的。

第一部分可以采用滤波预测技术，对数据进行最佳滤波，滤波器频带与后面伺服系统关系不大，主要与目标特性及探测器有关。

这样滤波器可以按尽量滤除探测器噪声设计，而数字随动系统部分可以按照尽量减小动态滞后误差设计，还可以用目标运动参数引导数字随动系统，构成典型的复合控制，可以按减小动态滞后误差作最佳设计。

由于采用的是复合控制，滤波器还可以对其它的系统误差作补偿校正，系统跟踪精度可以很高。

这样就可以像引导工作一样，构成复合控制。

速度前馈信号通过对合成目标位置、速度预测滤波得到。

由得到的合成目标位置数据对设备进行引导，引导期间不再使用电视脱靶量、红外脱靶量，而只用编码器位置数据与目标位置数据之差调节跟踪系统，同时将合成目标的速度信息送入控制系统。

对光电跟踪仪伺服控制系统原理及发展现状控制系统而言，就相当于一个随动系统了，可以与引导工作方式一样，采用前馈技术来提高系统跟踪精度。