光电经纬仪的机电动力学建模与耦合

　　1　引　言

　　光电经纬仪跟踪伺服系统的作用是使光电探测器的视轴精确地跟踪目标视线的运动,实现这一目标需要设计跟踪控制器,而系统控制及动力学模型的建立为跟踪控制器的设计和仿真验证提供了模型基础,它的准确度直接影响仿真设计的效果[1]。作为系统被控对象的三轴跟踪架由于存在轴间运动学和动力学耦合关系,对视轴稳定指向目标和系统的动态性能会产生影响,要得到高性能的三轴跟踪伺服系统,有必要对各轴间的耦合关系进行研究。本文主要介绍了跟踪伺服系统的关键环节———跟踪架的非线性动力学模型的建模过程,根据其结构推导了各轴间的转动惯量、运动学耦合关系和动力学耦合关系,并最终导出了描述其动态特性的状态方程形式的机电耦合动力学模型。对其进行仿真研究,验证了所建模型的正确性,该模型为光电经纬仪跟踪控制器的性能分析及仿真验证奠定了基础。

　　2　光电经纬仪跟踪伺服系统简介

　　光电经纬仪是采用光电技术,具有实时测量和自动跟踪功能的光电测量设备,其简化结构如图1所示,水平轴和视轴可绕垂直轴在水平面内做方位运动,视轴可绕水平轴在垂直平面内做俯仰运动,这样只要视轴瞄准目标就能得到指向目标的方位角和俯仰角,执行跟踪测量任务时通过底座调平装置与固定的地基环相连。跟踪伺服系统是一个由速度内环和位置外环构成的位置随动系统,如图2所示,它由力矩电机、功率放大器、跟踪控制器、编码器及三轴跟踪架组成,需根据视轴与目标视线之间的偏差实现高精度的目标跟踪,可看作是由若干构件按一定连接方式组成结构整体并通过伺服回路形成闭环的机电一体化系统[225]。机械跟踪架的机械特性参数和与控制系统(包括跟踪控制器、功放和传感器)有关的控制参数共同决定了跟踪伺服系统的动静态性能,因此,如何将分散在机械动力学和伺服控制理论中的单一研究纳入一个可考虑各种机电耦合影响的统一模型中,以进行系统的机电耦合动力学分析、控制算法与参数分析和仿真试验研究,具有重要的理论意义和实用价值。为了模拟跟踪伺服系统在特定跟踪控制算法及不同输入情况下对所跟踪目标的动态跟踪性能,需要设计跟踪控制器并建立该系统的控制及动力学模型。

　　3　机电耦合动力学模型的建立

　　跟踪架是跟踪伺服系统的最终控制对象,由于跟踪控制的变量是跟踪架的运动姿态以调整视轴指向目标,所以主要针对跟踪架动力学特性建模,水平轴绕其转轴运动时会带动视轴做相同运动,这样视轴绕其转轴的俯仰运动和水平轴(包括视轴及负载)的方位运动产生耦合,使得望远镜视轴有了方位俯仰方向的自由度,从而实现对目标的跟踪[6]。