光电跟踪伺服系统先进控制策略概述

　　1 引 言

　　随着目标机动性能的增强, 对光电跟踪系统的快速跟踪能力提出了更高的要求。多年来, 国内外的科技工作者在提高光电跟踪伺服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。

　　2复合控制

　　复合控制亦称前馈控制, 其原理最早由前苏联科学家提出, 分为前馈通道和反馈通道。复合系统实现误差全补偿的条件是前馈通道的传递函数为被控对象传递函数的倒数。

　　引入前馈通道的目的在于提高精度, 以超前的控制来补偿系统的动态滞后, 且不影响原闭环系统的稳定性[1]。为了降低前馈通道的复杂性, 工程中通常在速度回路前引入目标速度信息作为前馈输入[2]。仿真中对光学动态靶标的位置信息直接进行微分运算[3], 得到的目标速度信息作为速度回路的前馈, 跟踪精度提高了近 100 倍。但在实际系统中, 通过微分环节引入的目标速度信息必将充满噪声, 使整个系统无法工作, 因此这种方法只对数字引导时有意义, 而对于脱靶量跟踪则不具备实用价值。

　　3 等效复合控制及其同轴跟踪技术

　　3.1 等效复合控制

　　电视跟踪时, 传感器只能提供目标与传感器视轴之间的脱靶量, 不能给出目标空间位置, 自然也就没有目标运动的速度和加速度信息, 所以无法实现前馈控制。文献 [4] 提出等效复合控制方法, 即由脱靶量信息和编码器信息合成目标位置信息, 再通过预测滤波得到目标的速度信息。

　　由于系统的脱靶量信号有滞后时间 τ, 因此只能将编码器信号延时 τ后, 与最新得到的脱靶量信号合成。作为 τ时刻前的目标位置信号, 再对该合成的位置信号进行预测滤波, 得到当前的目标速度信号。

　　文献 [5] 提出了一种预测目标运动参数的有限记忆最小平方滤波法。有限记忆最小平方滤波是用靠近现在时刻的 N 个带有随机噪声的测量数据, 估计现在时刻或预测未来时刻目标的运动参数, 并使预测的均方误差最小, 又称多项式滤波。位置和速度滤波预测值均为 N 个测量数据的线性函数:

　　仿真中取电视延时为 0.02 s, 五点一步速度预测子系统将编码器信号延时 0.02 s 后与电视脱靶量信号合成, 得延时 0.02 s 的目标位置信息, 再按式(2)~(3)预测出当前的目标速度, 作为速度回路的前馈输入。五点一步预测速度前馈跟踪光学动态靶标的仿真, 脱靶量比无补偿时的脱靶盘降低了约 33倍。由于五点一步预测得到的速度是 0.02 s 采样保持的, 因此仿真中脱靶量存在一定高频振荡。将该预测速度通过一个 0.02 s 时间常数的低通滤波后振荡基本消失, 同时会使脱靶量上升 1 倍[6]。