基于綜合轉(zhuǎn)臺(tái)的復(fù)合控制方法研究

鄧晗 張鵬 肖宏

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所 河南省鄭州市 450047）

隨著智能裝備功能要求的多樣化、復(fù)雜化、智能化，相應(yīng)的裝備指標(biāo)要求更高。綜合轉(zhuǎn)臺(tái)作為防空系統(tǒng)中目標(biāo)探測的重要裝備，負(fù)載集成探測單元功能也越來越多樣化，比如紅外、激光、可見光、微波等；可用作偵察、目標(biāo)測量、告警等被廣泛裝備。多種負(fù)載的集成一方面使得綜合轉(zhuǎn)臺(tái)具有較大慣量，另一方面針對(duì)不同負(fù)載類型的工作特性，對(duì)伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)也具有多項(xiàng)目綜合約束。伺服系統(tǒng)是整個(gè)搜跟轉(zhuǎn)臺(tái)的核心部分，作為裝備的執(zhí)行單元，擔(dān)負(fù)著信號(hào)檢測、系統(tǒng)控制、通信控制、故障檢測與處理等諸多功能，也是系統(tǒng)性能指標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵部件，控制器必須具備較高的可靠性、實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性。

影響伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)的因素主要有偏差量指標(biāo)、結(jié)構(gòu)及裝配、檢測器件、驅(qū)動(dòng)、電機(jī)、控制算法等。本文基于綜合轉(zhuǎn)臺(tái)的伺服系統(tǒng)，重點(diǎn)在控制方法部分進(jìn)行分析研究，提升轉(zhuǎn)臺(tái)性能。

1 系統(tǒng)分析

綜合轉(zhuǎn)臺(tái)的主要功能是對(duì)動(dòng)能目標(biāo)的連續(xù)監(jiān)視跟蹤。在工作過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)遇到惡劣的動(dòng)力載荷環(huán)境，比如較大的加速度過載、寬頻隨機(jī)振動(dòng)等。在設(shè)計(jì)的過程中剛度、振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量等結(jié)構(gòu)指標(biāo)要滿足要求，同時(shí)控制的精度、穩(wěn)定性、快速性也要得到保證。設(shè)備的指向精度、靜態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能由結(jié)構(gòu)和控制部分共同決定。綜合轉(zhuǎn)臺(tái)要求目標(biāo)一直在視場的中心，關(guān)鍵性能指標(biāo)是跟蹤精度、指向精度、以及速度均勻性。對(duì)加速度不大的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)，脫靶量主要由跟蹤傳感器的靜態(tài)誤差和穩(wěn)定精度決定；對(duì)于較大加速的目標(biāo)，要求位置環(huán)有足夠的帶寬，而帶寬的提高受傳感器更新頻率、延遲以及結(jié)構(gòu)諧振頻率限值。

1.1 系統(tǒng)組成

伺服轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)主要包括承載綜合探測器的負(fù)載倉、方位軸系、俯仰軸系等部分，是綜合轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行空間搜索、目標(biāo)跟蹤和視軸穩(wěn)定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)備采用兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)形式，方位轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為360°連續(xù)，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-10°～70°，采用穩(wěn)定性較好的U型框架結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)方案采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式，方位和俯仰分別由獨(dú)立的直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并分別使用一個(gè)角度和速度傳感器反饋。實(shí)現(xiàn)搜索告警工作時(shí)方位恒速掃描，俯仰快速階躍；跟蹤瞄準(zhǔn)工作時(shí)快速調(diào)轉(zhuǎn)捕獲目標(biāo)，精確跟蹤目標(biāo)。

框架布局采用地平式U型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺(tái)的方位軸系和俯仰軸系均由力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，分別裝有軸承、力矩電機(jī)、編碼器、滑環(huán)（方位）等。

方位軸系主要有方位基座、方位主軸、方位轉(zhuǎn)盤軸承、力矩電機(jī)、編碼器、匯流環(huán)等組成。俯仰軸系主要有俯仰支臂、俯仰軸組合、俯仰軸承、力矩電機(jī)、編碼器、光機(jī)頭負(fù)載等組成。

1.2 轉(zhuǎn)臺(tái)功能要求

由于目標(biāo)特征具有速度快、距離遠(yuǎn)、尺寸小、特征弱等特點(diǎn)。結(jié)合外部引導(dǎo)信號(hào)信息、紅外目標(biāo)識(shí)別跟蹤，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)特探測成像具備以下功能。

跟蹤控制功能：圖像跟蹤單元實(shí)時(shí)輸出跟蹤目標(biāo)脫靶量，通過伺服控制器驅(qū)動(dòng)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤目標(biāo)，使目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過程中始終保持在觀測視場內(nèi)；

引導(dǎo)控制功能：伺服控制器接收模擬中控根據(jù)目標(biāo)航跡信息輸入的方位和俯仰角度或者雷達(dá)引導(dǎo)信號(hào)信息，驅(qū)動(dòng)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)至相應(yīng)的角度；

搜索控制功能：伺服控制器按照規(guī)定的轉(zhuǎn)速和步進(jìn)步長，根據(jù)模擬中控輸入的搜索空域進(jìn)行快速步進(jìn)搜索；

1.3 工作原理

經(jīng)典的伺服控制系統(tǒng)由電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三個(gè)控制環(huán)路構(gòu)成。位置環(huán)的輸出作為速度環(huán)的輸入指令、速度環(huán)的輸出作為電流環(huán)的輸入指令。偏差量信號(hào)經(jīng)過濾波處理后，送給位置環(huán)，經(jīng)過三個(gè)回路的綜合作用，使視場中心始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。

綜合轉(zhuǎn)臺(tái)在跟蹤的過程中，通過圖像處理和目標(biāo)識(shí)別，產(chǎn)生目標(biāo)相對(duì)視場中心的偏差量，這個(gè)偏差量作為伺服系統(tǒng)的方位俯仰偏差輸入信號(hào)。伺服系統(tǒng)根據(jù)偏差量，通過位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)計(jì)算，控制轉(zhuǎn)臺(tái)方位俯仰電機(jī)動(dòng)作，使目標(biāo)始終維持在視場中心。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)接收引導(dǎo)信號(hào)時(shí)，引導(dǎo)信息和位置反饋信號(hào)做差作為位置環(huán)的輸入，通過位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)計(jì)算，驅(qū)動(dòng)電機(jī)指向目標(biāo)。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)接收速度信號(hào)時(shí)，目標(biāo)速度和速度反饋信號(hào)做差作為速度環(huán)的輸入，通過速度環(huán)、電流環(huán)共同作用，驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合轉(zhuǎn)臺(tái)由于負(fù)載功能多樣想，工作模式比較復(fù)雜。按照工作過程分為搜索、跟蹤、引導(dǎo)模式。搜索模式，要求轉(zhuǎn)臺(tái)搜索能達(dá)到一定的速度、并具有一定速度均勻性。在搜索過程中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，或者在生成的目標(biāo)航跡中選定目標(biāo)，伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)負(fù)載迅速接近目標(biāo)，脫靶量迅速減小，由于負(fù)載較大要求伺服系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度。捕獲目標(biāo)后，保證目標(biāo)維持在視場中心，要求伺服系統(tǒng)具有較高跟蹤精度。

2 復(fù)合控制器設(shè)計(jì)

在常規(guī)的PID控制系統(tǒng)中，如果要想提高系統(tǒng)的快速性，需要增大比例增益，而過大的增益容易造成系統(tǒng)振蕩和超調(diào)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此在基礎(chǔ)上引入前饋補(bǔ)償控制。

2.1 前饋控制方法

前饋控制可以提高平臺(tái)的控制品質(zhì)，是一種基于補(bǔ)償?shù)母拍顏肀３窒到y(tǒng)的平衡。這里的補(bǔ)償可分為擾動(dòng)和輸入的補(bǔ)償。當(dāng)有較大的擾動(dòng)或輸入輸入量出現(xiàn)時(shí)，前饋控制輸出一個(gè)調(diào)節(jié)量，補(bǔ)償其對(duì)系統(tǒng)造成的影響，快速減小或消除系統(tǒng)在特定輸入或者擾動(dòng)作用下的誤差?？捎行У馗纳葡到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

綜合轉(zhuǎn)臺(tái)的主要功能應(yīng)用中，快速鎖定、持續(xù)跟蹤高速目標(biāo)使得控制系統(tǒng)輸入信號(hào)會(huì)有較大的偏差量，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求很高。因此選擇對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行輸入補(bǔ)償。

圖1為引入位置環(huán)輸入補(bǔ)償?shù)那梆伩刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

單一的閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

帶有前饋環(huán)節(jié)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中R(S)為輸入位置，C(S)為實(shí)際位置G1(S), G2(S), G3(S)分別為PID控制器傳遞函數(shù)、驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)、電機(jī)傳遞函數(shù)。F(S)為前饋環(huán)節(jié)。

因此前饋控制器的傳遞函數(shù)可表示為。

可表示為F(S)=ks+ks+ks

其中：F(S)為前饋傳遞函數(shù)，k1,k2為前饋控制器系數(shù)。F(S)表達(dá)為輸入信號(hào)的倒數(shù)，位置前饋控制器實(shí)際上是對(duì)位置信號(hào)的微分處理，輸入信號(hào)的一階二級(jí)倒數(shù)即為速度和加速度分量的補(bǔ)償。引入速度前饋和加速度前饋可以通過開環(huán)控制特性來加快伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度，從而加快位置誤差的補(bǔ)償速度。因此前饋控制可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，而控制參數(shù)的大小又到前饋控制的效果。

2.2 復(fù)合控制方法

單獨(dú)的前饋控制是一個(gè)開環(huán)控制，迅速對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。它根據(jù)輸入偏差的大小，產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量，使受控變量維持在設(shè)定值上的一種控制方法。但是不能保證被控變量沒有余差，因此采用簡單成熟工程易實(shí)現(xiàn)的PID控制方法消除穩(wěn)態(tài)誤差。

在前饋補(bǔ)償加PID控制中，如果前饋系數(shù)不合適反而會(huì)擴(kuò)大擾動(dòng)的影響。由控制理論可知，當(dāng)速度和加速度補(bǔ)償增大時(shí)，位置環(huán)的誤差累積就越小，伺服控制的精度就越高。但是前饋控制的系數(shù)選取不當(dāng)容易引起振蕩和位置超調(diào)，嚴(yán)重影響伺服性能。

由于PID控制和前饋控制對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)依賴較大，受其影響控制品質(zhì)變差。針對(duì)綜合轉(zhuǎn)臺(tái)復(fù)雜的功能要求及應(yīng)用環(huán)境，很難選定合理的控制參數(shù)。因此，在前饋控制的基礎(chǔ)上引入模糊控制理論，構(gòu)成了復(fù)合控制方法。模糊PID控制器可分為兩類：調(diào)整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制器和調(diào)整模糊增益的PID控制器。這里應(yīng)用模糊規(guī)則和推理對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2：系統(tǒng)框圖

kv，ka分別表示速度補(bǔ)償和加速度補(bǔ)償?shù)南禂?shù),以誤差信號(hào)e(k)和誤差信號(hào)的變化Δe(k)作為輸入信號(hào)調(diào)整各個(gè)參數(shù)的輸出。

一般的用7個(gè)語言變量表示e(k)和Δe(k)的模糊子集{負(fù)大（NB），負(fù)中（NZ），負(fù)?。∟S），幾乎零（ZO），正?。≒S），正中（PZ），正大（PB）}。為了便于工程實(shí)踐，這里采用結(jié)構(gòu)簡單的三角隸屬函數(shù)，e(k)和Δe(k)的隸屬函數(shù)如圖3所示。

圖3：隸屬函數(shù)

模糊規(guī)則的制定是模糊控制器的核心，可以用以前的工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)?？刂埔?guī)則（如圖4所示）的一般思路是，增量調(diào)整方向使偏朝向著快速變小的趨勢。通常當(dāng)偏差正向較大時(shí)，偏差的增量應(yīng)該較大，使偏差快速減??；但是前饋信號(hào)對(duì)偏差補(bǔ)償比較迅速，如果偏差的系數(shù)太大，容易引起超調(diào)和振蕩。當(dāng)偏差較小時(shí)，偏差的增量也應(yīng)該較小，使偏差量維持在較小區(qū)間。

圖4：控制規(guī)則

3 建模仿真

綜合轉(zhuǎn)臺(tái)的光電穩(wěn)定平臺(tái)采用的兩軸兩框架的結(jié)構(gòu)布局，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以將穩(wěn)定平臺(tái)在滾轉(zhuǎn)方向之外的運(yùn)動(dòng)分解到方位軸和俯仰軸兩個(gè)正交的方向上，是兩軸間的運(yùn)動(dòng)耦合很小。

以方位軸系為例，采用力矩電機(jī)直驅(qū)，依據(jù)電機(jī)選型、擾動(dòng)因素等參數(shù)在Simulink環(huán)境下單獨(dú)建立模型進(jìn)行仿真分析，建立穩(wěn)定平臺(tái)的機(jī)電一體化模型如圖5所示。

圖5：結(jié)構(gòu)平臺(tái)動(dòng)力模型

建立伺服系統(tǒng)總圖如圖6所示。

圖6：伺服系統(tǒng)模型圖

伺服系統(tǒng)模型主要包括三大部分，目標(biāo)模擬部分、探測器部分、伺服控制部分。

目標(biāo)模擬模塊如圖所示，主要完成目標(biāo)運(yùn)行軌跡的模擬；探測器部分主要模擬偏差輸出頻率、隨機(jī)誤差等；伺服控制模塊主要由模糊控制器、前饋環(huán)節(jié)、濾波模塊、位置控制器、速度環(huán)、外部擾動(dòng)模擬模塊構(gòu)成。

階躍信號(hào)可以產(chǎn)生較大的角速度和角加速度，比較接近綜合轉(zhuǎn)臺(tái)的相關(guān)工作模式。通過在仿真模型中輸入階躍信號(hào)，得到PID、PID前饋、復(fù)合控制方法的響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7：三種響應(yīng)曲線對(duì)比如圖所示

PID控制方法的響應(yīng)時(shí)間為60ms、最大超調(diào)量為25%。PID控制系統(tǒng)時(shí)響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長，加速度變化時(shí)過渡響應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定。加入前饋PID控制方法的響應(yīng)時(shí)間為20ms、最大超調(diào)量為50%?？梢钥闯鲰憫?yīng)時(shí)間的得到提升，但是在加速度變化的過渡階段穩(wěn)定性變差并產(chǎn)生震蕩，尤其最大超調(diào)量變化很大，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。復(fù)合控制方法響應(yīng)時(shí)間為25ms，最大超調(diào)量為15%。此時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間得到提高，加速度變化的過渡階段穩(wěn)定性進(jìn)一步提升，并且系統(tǒng)超調(diào)量降低。

4 結(jié)論

對(duì)比三種階躍響應(yīng)曲線如圖8，發(fā)現(xiàn)加入前饋控制方法相比傳統(tǒng)PID提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但是超調(diào)量明顯增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間變長。前饋對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有明顯提升，但是由于引入前饋控制，系統(tǒng)在遇到加速度過大的目標(biāo)或者擾動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)的魯棒性明顯變差。復(fù)合控制算法，結(jié)合了前饋控制的優(yōu)點(diǎn)，不僅提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，同時(shí)降低了超調(diào)量、縮短了系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間。因此復(fù)合控制算法不僅可提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，而且使系統(tǒng)具有較好的魯棒性。

通過比較三種控制算法，同時(shí)進(jìn)行前饋補(bǔ)償和模糊PID控制的復(fù)合控制算法使得系統(tǒng)提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，同時(shí)又具有很好的魯棒性，改善了轉(zhuǎn)臺(tái)承載多種負(fù)載在大慣量狀態(tài)下的非線性特性。