[发明专利]一种基于相平面法的快速调转的分段控制器设计方法

说明书

本发明公开了一种基于相平面法的快速调转的分段控制器设计方法，其为一种新型的快速调转的分段控制器分析与设计方法。区别于目前光电跟踪系统例如光电经纬仪，广泛采用的分段PID设计方法。本方法引入了相平面法辅助分析与设计，提出了一种新型的快速调转分段控制器设计模式，此方法为分段控制器设计提供了理论依据，能够显著缩短系统调转速度、极大减小了控制器参数整定的工作量。简化了光电跟踪系统控制器的设计步骤。

技术领域

本发明属于光电捕获跟踪系统例如光电经纬仪中跟踪控制技术领域，具体涉及一种基于相平面法的快速调转的分段控制器设计方法。

背景技术

光电跟踪系统例如光电经纬仪具有精度高，目标识别能力强，抗扰动能力强的特点。随着现代科技的进步，目标拥有更快的速度、加速度以及姿态速率，使系统的快速响应能力，目标探测能力，目标跟踪能力面临巨大挑战。如何提高光电系统的启动速度，使其能快速进入跟踪状态，是系统设计面临的困难。

目前光电跟踪系统多采用传统增量式PID控制策略，见图1，通过对伺服电机的建模分析，设计相关PID参数并通过工程反复调试的方法实现伺服控制。对于传统PID控制，加快系统的响应速度和降低系统的超调量存在矛盾。光电跟踪系统对超调量，与系统快速性都有严格的要求，一般要求超调量为10～30微弧度，系统在5到7秒内应进入闭环锁定。降低控制系统的超调量势必增加系统的稳定时间，系统将无法在要求时间内，稳定地转入精探测器跟踪模式，这与系统的设计需求不符合。分段PID伺服控制策略，控制框图见图2，在不增加成本的前提下很好的解决了这个问题。具体做法为：将伺服控制按跟踪误差细分为多个段，在不同的段采取不同的控制策略。以达到兼顾降低超调量，缩短上升时间的控制效果。

但是分段式PID伺服控制策略缺少理论方法指导，参数调试与整定多依赖于经验法，在实际工程实现中，采用实测法，试错法对相关控制器进行调试。从本质上分析，分段控制伺服策略是一个非线性系统，在设计时需要考虑多段控制的动态响应性能，且系统容易在切换点来回震荡，无法闭环，给参数整定带来巨大困难。例如，外环因超调过大，在外环和中环间来回震荡，无法进入内环。前一环的动态性能时刻影响后一环的参数设计，这种非线性给分段控制参数整定增加了巨大的工作量。

目前，基于分段控制的快速调转控制器设计法，能满足大多数场合的应用需求，但其存在控制器参数整定工作量巨大的问题，因此需要研究一种理论，对分段控制进行理论分析，以减小控制器参数整定的工作量，并能快速收敛到优化的控制参数。

发明内容

本发明解决了如下跟踪控制问题：提出了使用相平面图法分析分段系统，克服了现有光电跟踪系统分段控制缺少理论指导的缺陷。提出一种基于相平面法的光电跟踪系统快速调转跟踪控制方法，使分段控制器设计步骤简化，系统稳定性被直观表达，控制器参数整定工作量减小。采用相平面法设计出的分段控制器响应速度快且超调量小，并对系统的高阶量(速度、加速度等状态变量)进行了约束，符合当前光电跟踪设备快速调转跟踪控制又快又稳的技术需求，具有较强的适应性。解决了传统分段控制设计效率低下，且容易在切换点震荡不收敛，以及无法约束系统高阶量的问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于相平面法的快速调转的分段控制器设计方法，实现步骤如下：

步骤(1)建立速度闭环模型，考虑到速度闭环后可视为一阶滞后环节，其中C_v为速度环控制器，G为速度环被控对象，G_v为速度闭环模型，经过积分器后，得到仪器的角位置θ；

速度闭环模型传递函数：

位置开环传递函数可简化为：

其中，s为拉普拉斯算子，ω^*为给定转速，T₁为速度闭环特性的等效滞后时间常数，θ为仪器的角位置，K为速度环增益；

其微分方程为：