CN102999048A - 一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电伺服控制领域，具体公开一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制方法，该方法包括以下步骤：光电搜索跟踪转台惯性空间搜索控制：获取控制电机运动的新的DA口搜索电压控制量，从而驱动电机带动转台作出搜索运动；光电搜索跟踪转台急停控制，获取控制电机运动的DA口急停电压控制量，从而驱动电机带动转台作出急停运动；光电搜索跟踪转台跟踪控制，获取控制电机运动的DA口跟踪电压控制量，从而驱动电机带动转台作出跟踪运动。该方法它能够满足动基座光电转台的解耦控制功能要求，并能够实现该转台的高精度跟踪定位控制要求、又能保证转台在惯性空间高速稳定搜索性能以及搜索急停转跟踪性能。

Description

一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制方法

技术领域

本发明属于光电伺服控制领域，具体涉及一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制方法。

背景技术

光电跟踪转台是光电制导跟踪设备的重要组成部分，它的性能直接关系着光电制导设备能否达到所需的跟踪精度要求以及实现相关的伺服控制功能，随着目标机动性能的增强，对光电跟踪转台的跟踪能力与伺服控制性能也提出更高的要求。高速高精度车载动基座光电搜索跟踪转台是光电跟踪转台的一种，从伺服控制角度而言它是一个光电稳定、高速搜索与高精度跟踪系统，而伺服控制技术是以上各系统获得所需性能的关键环节。

车载动基座光电转台与定基座光电转台的主要区别是它安装在战车转塔上，车体振动及转塔调转会造成视轴的变化，需要设计具有解耦控制功能的速度环稳定回路来隔离车体振动和转塔转动对转台的影响，实现转台上光电设备的视轴稳定。通常通过在转台上装有测速陀螺获得转台空间速度可进行解耦控制，但只有选取合适的测速陀螺，将陀螺安装在正确的位置以及设计优良的解耦伺服控制算法才会取的良好的解耦控制效果。

车载动基座光电跟踪转台工作在搜索状态时要求方位在惯性空间以360°/s角速度高速旋转状态，俯仰轴要始终保持所要求的惯性空间角度上；该转台要求从高速搜索状态转至跟踪状态的稳定时间不大于1s；光电跟踪转台通常是根据图像脱靶量进行跟踪控制，而图像脱靶量由于具有延时较长及通信周期较大的问题，常规的带速度前馈PID复合控制不能保证光电转台的高精度跟踪要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制方法，该方法它能够满足动基座光电转台的解耦控制功能要求，并能够实现该转台的高精度跟踪定位控制要求、又能保证转台在惯性空间高速稳定搜索性能以及搜索急停转跟踪性能。

实现本发明目的的技术方案：一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1)光电搜索跟踪转台惯性空间搜索控制：获取控制电机运动的搜索时的DA口搜索电压控制量，从而通过驱动器将DA口搜索电压控制量功率放大后驱动电机带动转台作出搜索运动；

步骤(2)光电搜索跟踪转台急停控制，获取控制电机运动急停时的DA口电压控制量，从而通过驱动器将急停时的DA口电压控制量功率放大后驱动电机带动转台作出急停运动；

步骤(3)光电搜索跟踪转台跟踪控制，获取控制电机运动的跟踪时的DA口电压控制量，从而通过驱动器将跟踪时的DA口电压控制量功率放大后驱动电机带动转台作出跟踪运动。

所述的步骤(1)包括以下步骤：

步骤(1.1)进行搜索指令角度值的坐标系变换，得到光电搜索跟踪转台坐标系中目标位值给定值，具体的坐标系变换方法如下：

(1.1.1)获取光电搜索跟踪转台基座在惯性空间坐标系中的空间位置值：航向角H、俯仰角P、横滚角R；

(1.1.2)根据上述步骤(1.1.1)测量得到的光电搜索跟踪转台基座的空间位置值，通过坐标变换将惯性空间坐标系中的空间位置指令角度值转化为光电搜索跟踪转台坐标系中的目标位置给定值；

步骤(1.2)将步骤(1.1.2)转台坐标系中的目标位置给定值代入带前馈的分段变参数PID复合控制中，以获取搜索时的速度给定控制量，并将该速度给定控制量作为步骤(1.3)的陀螺速度稳定回路的输入，具体包括以下步骤：

步骤(1.2.1)，读取步骤(1.1.2)中得到转台坐标系的目标位置给定值，并将目标位置给定值代入分段变参数PID控制中，获取相应的分段变参数PID控制量；

步骤(1.2.2)获取速度前馈控制量：将步骤(1.1.2)转台坐标系中的目标位置给定值微分后获得目标速度值，然后将目标速度值乘以前馈系数以获得速度前馈控制量；

步骤(1.2.3)获取加速度前馈控制量：将转台坐标系中的目标速度值微分后获得目标速度值，然后将目标速度值乘以前馈系数以获得加速度前馈控制量；

步骤(1.2.4)获取速度给定控制量：将上述步骤(1.2.1)中得到的分段变参数PID控制量与上述步骤(1.2.2)中得到的速度前馈控制量及上述步骤(1.2.3)中得到的加速度前馈控制量相加作为速度给定控制量；

步骤(1.3)读取上述步骤(1.2)得到的速度给定控制量，并将速度给定控制量代入陀螺解耦速度环，以获取控制电机运动所需要的DA口电压控制量；

步骤(1.3.1)设置陀螺速度环，将上述步骤(1.2.4)得到的速度给定控制量代入所设置的陀螺速度环获取控制电机运动所需要的DA口电压控制量；具体步骤如下：

步骤(1.3.1.1)通过光纤陀螺获得转台的惯性空间速度值：控制器(1)每1ms通过AD口读取光纤陀螺的电压值，将该电压值乘以144得到惯性空间速度值；

步骤(1.3.1.2)获取陀螺速度偏差值：控制器(1)每1ms将读取的速度给定控制量减去上述步骤(1.3.1.1)中的空间速度值获得陀螺速度偏差值；

步骤(1.3.1.3)获取控制电机运动所需要的DA口电压控制量：将上述步骤(1.3.1.2)中得到的陀螺速度偏差值代入PI控制器计算出DA口电压控制量：

步骤(1.3.2)进行加速度阻尼补偿，获取控制电机运动所需要的新的DA口电压控制量，将该DA口电压控制量经驱动器功率放大后驱动电机带动转台运动，具体步骤如下：

步骤(1.3.2.1)获取码盘加速度信息：将码盘位置值微分二次后获得码盘加速度；

步骤(1.3.2.2)获取补偿控制信号：将上述步骤(1.3.2.1)中得到的码盘加速度经过非线性加速度控制器处理计算后得到补偿控制信号；

步骤(1.3.2.3)获取驱动器的新的DA口电压控制量：将上述步骤(1.3.2.1)中得到的DA口电压控制量减去上述步骤(1.3.2..2)中得到的补偿控制信号，所得差值分别作为新的DA口电压控制量；

步骤(1.3.2.4)驱动器将上述步骤(1.3.2.3)中得到的新的DA口电压控制量进行功率放大后，驱动力矩电机带动光电转台作出相应的运动。

所述的步骤(2)包括以下步骤：

步骤(2.1)对光电搜索跟踪转台急停的路径进行规划，给出急停时的目标位置给定值

步骤(2.2)将上述步骤(2.1)中得到的将目标位置给定值代入上述步骤(1.2)所述的带前馈的变参数PID复合控制中，获得相应的急停速度给定控制量；

步骤(2.3)将上述步骤(2.2)中得到的急停速度给定控制量代入上述步骤(1.3)所述的陀螺速度环稳定回路，获得相应的DA口急停电压控制量；

步骤(2.4)将上述步骤(2.3)中得到的DA口急停电压控制量进行功率放大后驱动力矩电机带动转台作出相应的急停运动。

所述的步骤(3)包括以下步骤：

步骤(3.1)进行脱靶量数据处理，获取跟踪分段变参数PID控制量

步骤(3.2)光电跟踪控制：获取控制电机运动的DA口跟踪电压控制量，从而使驱动力矩电机带动转台作跟踪运动，具体步骤如下：

步骤(3.2.1)获取跟踪时的速度滞后补偿控制量：将步骤(1.3.1)中测量的惯性空间速度值与滞后补偿系数相乘得到跟踪速度滞后补偿控制量；

步骤(3.2.2)获取跟踪时的加速度滞后补偿控制量

将步骤(1.3.1)中测量的惯性空间速度值微分后获得惯性空间加速度值与滞后补偿系数相乘得到跟踪速度滞后补偿控制量；

步骤(3.2.3)获取跟踪时的速度给定控制量。

将上述步骤(3.2.1)中获取的跟踪速度滞后补偿控制量与步骤(3.2.2)中获取的跟踪加速度滞后补偿控制量以及上述步骤(3.1)中获取的跟踪分段变参数PID控制量相加作为跟踪速度给定控制量；

步骤(3.2.4)获取DA口跟踪电压控制量：将上述步骤(3.2.3)中获取的跟踪时的速度给定控制量代入步骤(1.3)中所述的陀螺速度环稳定回路，获得相应的跟踪时的DA口电压控制量；

步骤(3.2.5)驱动器将上述步骤(3.2.4)中获取的跟踪时的DA口电压控制量进行功率放大后，驱动力矩电机带动转台作出相应的跟踪运动。。

本发明的有益技术效果在于：采用本发明的伺服控制方法能够保证车载动基座光电跟踪转台工作在搜索状态时方位在惯性空间以360°/s角速度高速旋转状态，俯仰轴始终保持所要求的惯性空间角度上。(1)解耦控制效果：①车身静止状态下对转塔运动的解耦能力：在跟踪状态下，当发射转塔运动时(最大90°/s，6.7rad/s²)，能够保证目标停留在视场内(方位×俯仰：4.5°×3.6°)；②行进间的解耦能力：在具备对转塔运动解耦能力的同时，可对车体摆动进行解耦，摆动频率0.5Hz，幅度±5°情况下不大于3％(30dB)。(2)高精度跟踪控制精度：跟踪目标图像以正弦方式运动(振幅A＝25°，频率f＝0.2Hz)时，方位与俯仰动态跟踪精度均不大于0.1mrad(1σ)。(3)高速扫描搜索及搜索转跟踪效果：战车行进时，转台扫描图象清晰平稳，搜索状态转至跟踪状态的稳定时间不大于1s。

附图说明

图1为本发明所提供的一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制系统总体结构框图；

图2为本发明所提供的一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制方法的流程图；

图3为图2所提供的伺服控制方法的流程详图，

图4为本发明所提供的惯性空间坐标系图；

图5为本发明所提供的惯性空间坐标系与转台坐标系的坐标变换关系图；

图6为本发明所提供的电机工作速度区域划分的示意图。

图中：1.PC104控制器，1a.DA接口单元，1b.AD接口单元，1c.码盘读书单元，1d.通讯接口单元，2.方位驱动器，3.方位电机，4.方位框架，5.方位码盘，6.方位光纤陀螺，7.俯仰驱动器，8.俯仰电机，9.俯仰框架，10.俯仰光纤陀螺，11.俯仰码盘，12.惯性测量系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制系统，包括PC104伺服控制器1、方位驱动器2、方位电机3、方位框架4、方位码盘5、方位光纤陀螺6、俯仰驱动器7、俯仰电机8、俯仰框架9、俯仰光纤陀螺10、俯仰码盘11、和惯性测量系统12。该控制系统以PC104伺服控制器1为控制核心，通过PC104伺服控制器1的DA接口单元1a将生成的电压控制信号送到方位驱动器2和俯仰驱动器7。方位驱动器2将该电压控制信号进行功率放大后驱动方位电机3转动，从而带动方位框架4运动，即带动光电搜索跟踪转台绕方位轴移动，在位于方位框架4中心的方位轴上安装方位光纤陀螺6并使之与方位轴平行以测得方位轴的空间速度，在方位框架4末端安装高精度方位码盘5作为位置传感器。俯仰驱动器7将该电压控制信号进行功率放大后驱动俯仰电机8转动，从而带动俯仰框架9运动，即带动光电搜索跟踪转台绕俯仰轴移动，在位于俯仰框架9中心的俯仰轴上安装俯仰光纤陀螺10并使之与俯仰轴平行以测得俯仰轴的空间速度，在俯仰框架9末端安装高精度俯仰码盘11作为位置传感器。方位码盘5测得方位框架4的码盘位置角度值给PC104伺服控制器1的编码器读数单元1d，编码器读数单元1d读取方位码盘位置角度值后供PC104伺服控制器执行相关控制策略时使用。俯仰码盘11测得俯仰框架9的码盘位置角度值给PC104伺服控制器1的编码器读数单元1d，编码器读数单元1d读取方位码盘位置角度值后供PC104伺服控制器执行相关控制策略时使用。方位光纤陀螺6测得方位框架4的空间速度所对应的电压值给PC104伺服控制器1的AD接口单元1b，PC104伺服控制器1对该信号进行滤波处理后计算出方位框架4的空间速度供PC104伺服控制器执行相关控制策略时使用。俯仰光纤陀螺10测得俯仰框架9的空间速度所对应的电压值给PC104伺服控制器1的AD接口单元1b，PC104伺服控制器1对该信号进行滤波处理后计算出方位框架4的空间速度供PC104伺服控制器执行相关控制策略时使用，在该光电搜索跟踪转台的动基座上安装惯性测量系统12以测得基座的空间角度信息，惯性测量系统12将测得的空间角度信息通过RS232通讯接口传输给PC104伺服控制器1的通信接口单元1d，通信接口单元1d读取该空间角度信息后供PC104伺服控制器执行相关控制策略时使用。

方位码盘5、俯仰码盘11为位置传感器。

如图2和图3所示，本发明所提供的一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制方法，该方法包括以下步骤：

首先，要求在载体运动情况下实现光电搜索跟踪转台在惯性空间高速稳定扫描搜索运动控制，当发现目标时需要1s内急停运动到目标位值，急停到位后则要求在载体运动情况下能够进行高精度光电跟踪控制。

步骤(1)：光电搜索跟踪转台惯性空间高速稳定搜索控制：获取控制电机运动的搜索时的DA口电压控制量，从而通过驱动器将搜索时的DA口电压控制量功率放大后驱动电机带动转台作出搜索运动。

步骤(1.1)进行搜索指令角度值的坐标系变换，得到光电搜索跟踪转台坐标系中的目标位置给定值。

由于进行搜索时本光电搜索跟踪转台伺服系统只能采用光电搜索跟踪转台所在坐标系的目标位置给定角度值进行伺服控制，因此，需要将惯性空间的搜索指令角度转换为光电搜索跟踪转台坐标系中的标位置给定角度值，如图4和图5所示，具体的坐标系变换方法如下：

步骤(1.1.1)获取光电搜索跟踪转台基座在惯性空间坐标系中的空间位置值：航向角H、俯仰角P、横滚角R

安装在光电搜索跟踪转台基座上的高精度惯性测量系统12测量光电搜索跟踪转台基座航向角H、光电搜索跟踪转台基座俯仰角P、光电搜索跟踪转台基座横滚角R，动态测角精度为0.005°/s。

步骤(1.1.2)在上述步骤(1.1.1)测量得到的光电搜索跟踪转台基座在惯性空间坐标系中的空间位置值的基础上，将惯性空间坐标系中的搜索指令角度值转化为转台坐标系中的目标位置给定值。

设转台坐标系中的方位目标位置给定值为A_b，转台坐标系中的俯仰目标位置给定值为E_b，则转台坐标系中目标位置给定值与惯性空间坐标系中的搜索指令角度的转换关系如下式(1)和(2)所示：

$A_b=\mathrm{arc}\tan \left(\frac{\cos E_g[\cos R\sin (A_g-H)+\sin R\sin P\cos (A_g-H)]-\sin R\cos P\sin E_g}{\cos P\cos E_g\cos (A_g-H)+\sin P\sin E_g}\right)---\left(1\right)$

E_b＝arcsin[sinR×cosE_g×sin(A_g-H)-sinP×cosR×cosE_g×cos(A_g-H)+cosR×cosP×sinE_g] (2)

其中，

X_g、Y_g、Z_g为惯性空间坐标系的坐标轴；

X_b、Y_b、Z_b为转台坐标系的坐标轴；

S为惯性空间中的车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制目标；

S′为目标S在惯性平面X_gY_g中的投影；

S″为目标S在转台坐标平面X_bY_b中的投影；

E_g为惯性空间中的俯仰搜索指令角度值；

A_g为惯性空间中的方位搜索指令角度值；

H为光电搜索跟踪转台基座航向角，即为光电搜索跟踪转台基座初始同载体行进方向平行的轴Y_b与正北方向Y_g交角俯仰角；

R为光电搜索跟踪转台基座横滚角，即为光电搜索跟踪转台基座初始同载体行进方向平行的轴X_b与水平面X_g的交角，右倾为正；

P为光电搜索跟踪转台基座俯仰角，即为光电搜索跟踪转台基座纵轴Z_b与当地水平面Z_g的夹角，向上为正。

步骤(1.2)将步骤(1.1)转台坐标系中的目标位置给定值代入带前馈的分段变参数PID复合控制中，以获取搜索时的速度给定控制量，并将该速度给定控制量作为步骤(1.3)的陀螺速度稳定回路的输入。

为了使方位框架按照步骤(1.1)中的转台坐标系中的方位目标位置A_b给定值运动、使俯仰框架按照步骤(1.1)中的转台坐标系中的俯仰目标位置给定值E_b运动，本发明设计了带速度前馈与加速度前馈的分段变参数PID复合控制方法，具体包括以下步骤：

步骤(1.2.1)，读取步骤(1.1)转台坐标系中的目标位置给定值，并将目标位置给定值代入分段变参数PID控制中，获取相应的分段变参数PID控制量。

将上述步骤(1.1.2)中得到的转台坐标系中的方位目标位置给定值代入分段变参数PID控制以获得方位分段变参数PID控制量fwPIDSpeed，方位分段变参数PID控制量fwPIDSpeed的公式如下式(3)所示：

fwPIDSpeed＝fwKp×fwErr+fwKi×fwErrI+fwKd×fwErrD； (3)

其中：fwPIDSpeed为方位分段变参数PID控制量，fwErr为转台方位码盘值与转台坐标系中的方位目标位置值的误差大小，fwErrI为该误差大小的积分，fwErrD为该误差大小的微分，fwKp为方位比例系数，fwKi为方位比例系数，fwKd为方位微分系数。

为了保证定位时的快速性能和稳定性，根据转台与目标的误差大小分为三个区：I)快速区，II)减速区，III)精密控制区，并根据该误差大小的变化来调整各个区的方位比例系数fwKp、方位积分系数fwKi、方位微分系数fwKd。具体做法如下：

(1)将误差绝对值在25°以上设置为快速控制区，采用较大比例系数fwKp，其它参数为零，使输出的控制变量为较大，既提高了系统的快速性，又避免积分饱和现象。

(2)当误差绝对值在4°到0.4°为减速控制区，减小比例系数fwKp，以减小系统超调；适度增加微分系数fwKd，缩短调节时间，使系统平缓过度。

(3)当误差绝对值0.4°以下为精密控制区，为了保证系统快速响应性能和稳态精度，应适当增大比例fwKp和积分系数fwKi以减小系统静差，降低微分作用，提高稳定性，使系统尽快向消除误差的方向运动。

将上述步骤(1.1.2)中得到的转台坐标系中的俯仰目标位置给定值代入分段变参数PID控制以获得俯仰分段变参数PID控制量，俯仰分段变参数PID控制量的公式如下式(4)所示：

fyPIDSpeed＝fyKp×fyErr+fyKi×fyErrI+fyKd×fyErrD； (4)

其中：fyPIDSpeed为俯仰分段变参数PID控制量，fyErr为转台方位码盘值与转台坐标系中的俯仰目标位置值的误差大小，fyErrI为该误差大小的积分，fyErrD为该误差大小的积分，fyKp为俯仰比例系数，fyKi为俯仰比例系数，fyKd为俯仰微分系数。

为了保证定位时的快速性能和稳定性，根据转台与目标的误差大小分为三个区：I)快速区，II)减速区，III)精密控制区，并根据该误差大小的变化来调整各个区的俯仰比例系数fyKp、俯仰积分系数fyKi、俯仰微分系数fyKd。具体做法如下：

(1)将误差绝对值在25°以上设置为快速控制区，采用较大比例系数gdKp，其它参数为零，使输出的控制变量为较大，既提高了系统的快速性，又避免积分饱和现象。

(2)当误差绝对值在4°到0.4°为减速控制区，减小比例系数fyKp，以减小系统超调；适度增加微分系数fyKd，缩短调节时间，使系统平缓过度。

(3)当误差绝对值0.4°以下为精密控制区，为了保证系统快速响应性能和稳态精度，应适当增大比例fyKp和积分系数fyKi以减小系统静差，降低微分作用，提高稳定性，使系统尽快向消除误差的方向运动。

步骤(1.2.2)获取速度前馈控制量

将转台坐标系中的方位目标位置给定值微分后获得方位目标速度值fwkvz，然后将方位目标速度值fwkvz乘以前馈系数fwForward以获得方位速度前馈控制量fwkvSpeed，公式如下式(5)所示：

fwkvSpeed＝fwkvz×fwForward    (5)

其中：fwkvSpeed为方位速度前馈控制量，fwkvz为方位目标速度值，fwForward为方位前馈系数。

将转台坐标系中的俯仰目标位置给定值微分后获得俯仰目标速度值fykvz，然后将俯仰目标速度值fykvz乘以前馈系数fyForward以获得俯仰速度前馈控制量fykvSpeed，公式如下式(6)所示：

fykvSpeed＝fykvz×fyForward    (6)

其中：fykvSpeed为俯仰速度前馈控制量，fykvz为俯仰目标速度值，fyForward为俯仰前馈系数。

步骤(1.2.3)获取加速度前馈控制量。

将转台坐标系中的方位目标速度值fwkvz微分后获得方位目标速度值fwkraccz，然后将方位目标速度值fwkvz乘以前馈系数fwAccForwardz以获得方位加速度前馈控制量fwkraccSpeed，公式如下式(7)所示：

fwkraccSpeed＝fwkraccz×fwAccForwardz            (7)

其中：fwkraccSpeed为方位加速度前馈控制量，fwkraccz为方位目标加速度值，fwForward为方位加速度前馈系数。

将转台坐标系中的俯仰目标位置给定值微分后获得俯仰目标速度值fykraccz，然后将俯仰目标加速度值fykraccz乘以前馈系数fyAccForwardz以获得俯仰加速度前馈控制量fykraccSpeed，公式如下式(8)所示：

fykraccSpeed＝fykraccz×fyAccForwardz            (8)

其中：fykraccSpeed为俯仰加速度前馈控制量，fykraccz为俯仰目标加速度值，fyForward为俯仰加速度前馈系数。

步骤(1.2.4)获取速度给定控制量

将上述步骤(1.2.1)中得到的方位分段变参数PID控制量fwPIDSpeed与上述步骤(1.2.2)中得到的速度前馈控制量fwkvSpeed及上述步骤(1.2.3)中得到的加速度前馈控制量fykraccSpeed相加作为速度给定控制量fwSpeedOut，公式如下式(9)所示：

fwSpeedOut＝fwPIDSpeed+fwkvSpeed+fwkraccSpeed    (9)

将上述步骤(1.2.1)中得到的俯仰分段变参数PID控制量fyPIDSpeed与上述步骤(1.2.2)中得到的俯仰速度前馈控制量fykvSpeed及上述步骤(1.2.3)中得到的俯仰加速度前馈控制量fykraccSpeed相加作为速度给定控制量fySpeedOut，公式如下式(10)所示：

fySpeedOut＝fyPIDSpeed+fykvSpeed+fykraccSpeed    (10)

步骤(1.3)读取速度给定控制量，并将速度给定控制量代入陀螺解耦速度环，以获取控制电机运动所需要的DA口电压控制量。

为了隔离车体振动及转塔调转在光电搜索跟踪转台搜索时对视轴的影响，从而造成的对成像质量的影响，光电搜索跟踪转台速度环必须有解耦稳定功能，因此本发明设计了相应的陀螺速度环解耦控制方法，具体包括以下步骤：

步骤(1.3.1)设置陀螺速度环，将速度给定控制量代入所设置的陀螺速度环获取控制电机运动所需要的DA口电压控制量。

本发明通过光纤陀螺测量出的光电搜索跟踪转台方位轴与俯仰轴空间速度信息，并通过PC104控制器进行相关处理后，得到控制电机运动所需要的DA口电压控制量。具体步骤如下：

步骤(1.3.1.1)通过光纤陀螺获得转台的惯性空间速度值：PC104控制器1每1ms通过AD接口单元(1b)读取光纤陀螺6的电压值，并换算成相应的方位惯性空间速度值，两者的换算关系如下式所示：

fwspeed＝fwmotorU×144

其中：fwmotorU为光纤陀螺所测的电压值，fwspeed为方位惯性空间速度值；

PC104控制器1每1ms通过AD接口单元(1b)读取俯仰光纤陀螺10的电压值，并换算成相应的俯仰惯性空间速度值，两者的换算关系如下式(12)所示：

fyspeed＝fymotorU×144                                 (12)

其中：fymotorU为光纤陀螺所测的电压值，fyspeed为俯仰惯性空间速度值

步骤(1.3.1.2)获取陀螺速度偏差值

PC104控制器1每1ms将读取的方位速度给定控制量fwSpeedOut减去上述步骤(1.3.2.1)中的空间速度值fwspeed获得陀螺速度偏差值fwspeedErr，公式如下式(13)所示：

fwspeedErr＝fwSpeedOut-fwSpeed                         (13)

其中：fwspeedErr为方位陀螺6速度偏差值，fwSpeedOut为方位速度给定控制量，fwspeed为方位惯性空间速度值

PC104控制器1每1ms将读取的俯仰速度给定控制量fySpeedOut减去上述步骤(1.3.2.1)中的空间速度值fyspeed获得陀螺速度偏差值fyspeedErr，公式如下式(14)所示：

fyspeedErr＝fySpeedOut-fySpeed                         (14)

其中：fyspeedErr为俯仰陀螺速度偏差值，fySpeedOut为俯仰速度给定控制量，fyspeed为俯仰惯性空间速度值

步骤(1.3.1.3)获取控制电机运动所需要的DA口电压控制量。

将上述步骤(1.3.1.2)中得到的方位陀螺6速度偏差值fwspeedErr代入PI控制器1计算出DA接口单元1a方位电压控制量fwUt1，DA接口单元1a方位电压控制量fwUt的公式如下式(15)所示：

fwUt1＝fwspeedErr×fwspeedKp+fwspeedErrI×fwspeedKi    (15)

其中：fwspeedErrI为方位陀螺6速度偏差值的积分，fwspeedkp为方位速度比例系数，fwspeedKi方位速度积分系数。

将上述步骤(1.3.1.2)得到的俯仰陀螺10速度偏差值fyspeedErr代入PI控制器计算出DA接口单元1a俯仰电压控制量fyUt1，DA接口单元1a俯仰电压控制量fyUt的公式如下式(16)所示：

fyUt1＝fyspeedErr×fyspeedKp+fyspeedErrI×fyspeedKi        (16)

其中：fyspeedErrI为俯仰陀螺10速度偏差值的积分，fyspeedKp为俯仰速度比例系数，fyspeedKi为俯仰速度积分系数。

步骤(1.3.2)进行加速度阻尼补偿，获取控制电机运动所需要的新的DA口电压控制量，将该DA口电压控制量经驱动器功率放大后驱动电机带动转台运动。

考虑到光电搜索跟踪转台速度由静止变为运动时，当摩擦力变化时会产生较大加速度，从而使视轴产生短时过冲及抖动现象，因此，本发明在(1.3.2)的陀螺速度环上增加带死区的非线性加速度阻尼补偿，来降低系统过冲时的加速度，以改善陀螺速度环的低速性能。带死区的非线性加速度阻尼补偿的具体步骤如下：

步骤(1.3.2.1)获取码盘加速度信息

将方位码盘5位置值微分二次后获得方位码盘5加速度fwaccv，公式如式(17)：

fwaccv＝1000×(1000×fwbPos1-2000×fwbPos2+1000×fwbPos3)  (17)

其中：fwbPos1为本采样周期的方位码盘5位置值，fwbPos2上个采样周期的方位码盘5位置值，fwbPos3为上两个周期的方位码盘5位置值，采样周期为1ms。

将俯仰码盘11位置值微分二次后获得俯仰码盘11加速度fyaccv，公式如式(18)：

fyaccv＝1000×(1000×fybPos1-2000×fybPos2+1000×fybPos3)  (18)

其中：fybPos1为本采样周期的俯仰码盘11位置值，fybPos2上个采样周期的俯仰码盘位置值，为fybPos3上两个周期的俯仰码盘11位置值，采样周期为1ms。

步骤(1.3.2.2)获取补偿控制信号

将上述步骤(1.3.2.1)中得到的方位加速度fwaccv经过下式中的非线性加速度控制器处理计算后得到方位补偿控制信号fwUt2，非线性加速度阻尼补偿环节的输出和输入具有如下式(19)所示的关系：

$\mathrm{fwUt}2=\left\{\begin{array}{cc}2\mathrm{fwaccv}-V& 2\mathrm{fwaccv}>V\\ 0& -V\&le;2\mathrm{fwaccv}\&le;V\\ 2\mathrm{fwaccv}+V& 2\mathrm{fwaccv}<-V\end{array}\right.---\left(19\right)$

其中，v为非线性死区大小，即方位加速度的绝对值小于v则fwUt2为零。

将上述步骤(1.3.2.1)中得到的俯仰加速度fyaccv经过下式中的非线性加速度控制器处理计算后得到俯仰补偿控制信号fyUt2，非线性加速度阻尼补偿环节的输出和输入具有如下式(20)所示的关系：

$\mathrm{fyUt}2=\left\{\begin{array}{cc}2\mathrm{fyaccv}-V& 2\mathrm{fyaccv}>V\\ 0& -V\&le;2\mathrm{fyaccv}\&le;V\\ 2\mathrm{fyaccv}+V& 2\mathrm{fyaccv}<-V\end{array}\right.---\left(\text{20}\right)$

其中，v为非线性死区大小，即俯仰加速度的绝对值小于v则fyUt2为零。

步骤(1.3.2.3)获取驱动器的新的DA接口单元1a电压控制量。

将上述步骤(1.3.2.1)中得到的DA接口单元1a方位电压控制量fwUt1减去上述步骤(1.3.2.2)中得到的方位补偿控制信号fwUt2，所得差值分别作为新的DA接口单元1a方位电压控制量fwUt，新的DA接口单元1a电压控制量fwUt的公式如下式(21)所示：

fwUt＝fwUt1-fwUt2                        (21)

将上述步骤(1.3.2.1)中得到的DA接口单元1a俯仰电压控制量fyUt1减去上述步骤(1.3.2.2)中得到的俯仰补偿控制信号fyUt2，所得差值分别作为新的DA接口单元1a俯仰电压控制量fyUt，新的DA接口单元1a电压控制量fyUt的公式如下式(22)所示：

fyUt＝fyUt1-fyUt2                        (22)

步骤(1.3.2.4)驱动器将上述步骤(1.3.2.3)中得到的新的DA口电压控制量进行功率放大后，驱动力矩电机带动光电转台作出相应的运动。

方位驱动器2将新的DA接口单元1a电压控制量fwUt进行功率放大后，驱动方位力矩电机3带动光电转台方位框架运动。

俯仰驱动器7将新的DA接口单元1a电压控制量fyUt进行功率放大后，驱动俯仰力矩电机8带动光电转台俯仰框架运动。

步骤(1.3.2.5)给予光电搜索跟踪转台0.05°/s的陀螺速度给定指令，并调节非线性死区系数v的大小，直到使光电转台低速运动时具有较好低速平稳性。

步骤(2)光电搜索跟踪转台急停控制，获取控制电机运动的急停时的DA口电压控制量，从而驱动电机带动转台作出急停运动

为了保证方位电机3在从360°高速搜索急停状态进入跟踪状态的快速性与平稳性，本发明设计了急停运动控制，它首先对急停的路径进行了规划，并设计了相应的伺服控制方法，具体步骤如下：

步骤(2.1)对光电搜索跟踪转台急停的路径进行规划

对转台急停的路径进行合理的规划可以节省转台停止时所需的时间，通过规划的路径给出急停时的目标位置给定值，然后按照步骤(2.2)-(2.4)使转台根据给出的目标位置给定值做出相应的运动。

当光电搜索跟踪转台在最大加速度a＝1000°/s，最大运动速度为V_max＝500°/s²时，本发明根据急停工作状态启动时转台码盘所测量的值与目标位置给定值之差作为误差大小，并根据误差大小设计了如图6所示的四种急停工作路径：A区：当误差小于65°时，转台直接刹车但过目标点再返回；B区：当误差在65°～180°之间，转台直接减速到目标点停下；C区：当误差在180°～280°之间，先匀速运动再减速停止；D区：当误差在280°～360°之间，先加速运动再减速停止。

步骤(2.2)将步骤(2.1)所得到的目标位置给定值指令代入上述步骤(1.2)所述的带前馈的变参数PID复合控制中，获得急停时的速度给定控制量。

步骤(2.3)将上述步骤(2.2)中得到的急停时的速度给定控制量代入上述步骤(1.3)所述的陀螺速度环稳定回路，获得急停时的DA接口单元1a电压控制量，

步骤(2.4)驱动器将上述步骤(2.3)中的急停时的DA接口单元1a电压控制量通过驱动进行功率放大后驱动力矩电机带动转台作出相应的急停运动。

步骤(3)光电搜索跟踪转台高精度跟踪控制，获取控制电机运动的跟踪时的DA口电压控制量，从而驱动电机带动转台作出相应的跟踪运动。

在光电搜索跟踪转台的跟踪伺服系统中目标数据是图像脱靶量，图像脱靶量由于具有延时较长及通信周期较大的问题，前馈数据是不容易准确得到的，因此，在光电搜索跟踪转台进行稳定搜索时、即上述步骤(1.2)所述的带前馈的PID控制方法，在光电搜索跟踪转台进行跟踪控制无法取的很好的跟踪控制效果，因此，本发明在上述步骤(1.2)所述的带前馈的变参数PID控制方法基础上设计了带目标数据处理与加速度滞后补偿的光电跟踪复合控制方法。该方法具体包括以下步骤：

步骤(3.1)进行脱靶量数据处理，获取跟踪时的分段变参数PID控制量。

在跟踪控制时，转台根据外部控制信号提供的目标与转台视轴之间的脱靶量偏差做出相应运动，这时需要等效出目标给定位置，另外，由于脱靶量数据发送周期为20ms，需要将脱靶量值20等分后来保证伺服控制平滑性。

跟踪时的方位目标给定位置fwrbos如下式(23)所示：

fwrbos＝fwbpos+Δfwθ/20                (23)

其中，fwrbos为方位目标给定位置，fwbpos为当前转台方位位置，就是方位码盘5当前测量的值，Δfwθ为方位脱靶量偏差，每20ms后更新一次脱靶量。

跟踪时的俯仰目标给定位置fyrbos如下式(24)所示：

fyrbos＝fybpos+Δfyθ/20                (24)

其中，fyrbos为俯仰目标给定位置，fybpos为当前转台俯仰位置，就是俯仰码盘11当前测量的值，Δfyθ为俯仰脱靶量偏差，每20ms后更新一次脱靶量。

将上式(23)获得的跟踪时所用的方位目标位置值fwrbos与式(24)获得的跟踪时所用的方位目标位置值fyrbos分别代入上述步骤(1.2.1)中所述的分段变参数PID控制，分别获得跟踪时的方位分段变参数PID控制量fwPIDSpeed与俯仰分段变参数PID控制量fyPIDSpeed。

步骤(3.2)光电跟踪控制：获取控制电机运动的跟踪时的DA接口单元1a电压控制量，从而使驱动力矩电机带动转台作出跟踪运动。

考虑到光电跟踪系统中速度前馈与加速度前馈不易得到，本发明在上述步骤(1.2)所述的带前馈的分段变参数PID控制的基础上，通过增加速度滞后补偿与加速度滞后补偿的方式部分等效前馈控制，提高光电跟踪精度。具体步骤如下：

步骤(3.2.1)获取跟踪时的速度滞后补偿控制量。

将步骤(1.3.1.1)中测量的方位惯性空间速度值fwspeed与方位滞后补偿系数fwK1相乘得到方位跟踪速度滞后补偿控制量fwgvSpeed，公式如式(25)：

fwgvSpeed＝fwspeed×fwK1                (25)

将步骤(1.3.1.1)中测量的俯仰惯性空间速度值fyspeed与俯仰滞后补偿系数fyK1相乘得到俯仰跟踪速度滞后补偿控制量fygvSpeed，公式如式(26)：

fygvSpeed＝fyspeed×fwK1                (26)

步骤(3.2.2)获取跟踪时的加速度滞后补偿控制量

将步骤(1.3.1.1)中测量的方位惯性空间速度值微分后获得方位惯性空间加速度值fwaccspeed与方位滞后补偿系数fwK2相乘得到跟踪速度滞后补偿控制量fwgaccvSpeed，公式如式(27)：

fwgaccvSpeed＝fwaccspeed×fwK2          (27)

将步骤(1.3.1.1)中测量的俯仰惯性空间速度值微分后获得俯仰惯性空间加速度值fyaccspeed与俯仰滞后补偿系数fyK2相乘得到跟踪速度滞后补偿控制量fygvSpeed，公式如式(28)：

fygaccvSpeed＝fyaccspeed×fyK2                    (28)

步骤(3.2.3)获取跟踪时的速度给定控制量。

将上述步骤(3.2.1)中获取的方位跟踪速度滞后补偿控制量fwgvSpeed与步骤(3.2.2)中获取的方位跟踪加速度滞后补偿控制量fwgaccvSpeed以及上述步骤(3.1)中获取的方位跟踪分段变参数PID控制量fwPIDSpeed相加作为方位跟踪速度给定控制量，公式如下式(29)所示：

fwSpeedOut＝fwPIDSpeed+fwgvSpeed+fwgaccvSpeed     (29)

将上述步骤(3.2.1)中获取的俯仰跟踪速度滞后补偿控制量fygvSpeed与步骤(3.2.2)中获取的俯仰跟踪加速度滞后补偿控制量fygaccvSpeed以及上述步骤(3.1)中获取的俯仰跟踪分段变参数PID控制量fyPIDSpeed相加作为俯仰跟踪速度给定控制量fyspeedOut，公式如下式(30)所示：

fySpeedOut＝fyPIDSpeed+fygvSpeed+fygaccvSpeed     (30)

步骤(3.2.4)获取DA接口单元1a跟踪电压控制量。

将上述步骤(3.2.3)中获取的方位跟踪时的速度给定控制量fwSpeedOut代入步骤(1.3)中所述的陀螺速度环稳定回路，获得相应的跟踪时的DA接口单元1a方位电压控制量fwUt。

将上述步骤(3.2.3)中获取的俯仰跟踪时的速度给定控制量fySpeedOut代入步骤(1.3)中所述的陀螺速度环稳定回路，获得相应的跟踪时的DA接口单元1a方位电压控制量fyUt。

步骤(3.2.5)驱动器将上述步骤(3.2.4)中获取的跟踪时的DA接口单元1a电压控制量进行功率放大后，驱动力矩电机带动转台作出相应的跟踪运动。

方位驱动器2将跟踪时的DA接口单元1a方位电压控制量fwUt进行功率放大后，驱动方位力矩电机3带动转台作出方位跟踪运动。

俯仰驱动器7将跟踪时的DA接口单元1a俯仰电压控制量fyUt进行功率放大后，驱动俯仰力矩电机8带动转台作出俯仰跟踪运动。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术，例如PC104伺服控制器1、方位驱动器2、方位电机3、方位框架4、方位码盘5、方位光纤陀螺6、俯仰驱动器7、俯仰电机8、俯仰框架9、俯仰光纤陀螺10、俯仰码盘11、惯性测量系统12等均可以采用现有技术中任何型号的产品；分段PID控制、陀螺速度环等均可以采用现有技术中的方法。

Claims (4)

1.一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤(1)光电搜索跟踪转台惯性空间搜索控制：获取控制电机运动的搜索时的DA口搜索电压控制量，从而通过驱动器将DA口搜索电压控制量功率放大后驱动电机带动转台作出搜索运动；

步骤(2)光电搜索跟踪转台急停控制，获取控制电机运动急停时的DA口电压控制量，从而通过驱动器将急停时的DA口电压控制量功率放大后驱动电机带动转台作出急停运动；

步骤(3)光电搜索跟踪转台跟踪控制，获取控制电机运动的跟踪时的DA口电压控制量，从而通过驱动器将跟踪时的DA口电压控制量功率放大后驱动电机带动转台作出跟踪运动。

2.根据权利要求1所述的一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制方法，其特征在于：所述的步骤(1)包括以下步骤：

步骤(1.1)进行搜索指令角度值的坐标系变换，得到光电搜索跟踪转台坐标系中目标位值给定值，具体的坐标系变换方法如下：

(1.1.1)获取光电搜索跟踪转台基座在惯性空间坐标系中的空间位置值：航向角H、俯仰角P、横滚角R；

(1.1.2)根据上述步骤(1.1.1)测量得到的光电搜索跟踪转台基座的空间位置值，通过坐标变换将惯性空间坐标系中的空间位置指令角度值转化为光电搜索跟踪转台坐标系中的目标位置给定值；

步骤(1.2)将步骤(1.1.2)转台坐标系中的目标位置给定值代入带前馈的分段变参数PID复合控制中，以获取搜索时的速度给定控制量，并将该速度给定控制量作为步骤(1.3)的陀螺速度稳定回路的输入，具体包括以下步骤：

步骤(1.2.1)，读取步骤(1.1.2)中得到转台坐标系的目标位置给定值，并将目标位置给定值代入分段变参数PID控制中，获取相应的分段变参数PID控制量；

步骤(1.2.2)获取速度前馈控制量：将步骤(1.1.2)转台坐标系中的目标位置给定值微分后获得目标速度值，然后将目标速度值乘以前馈系数以获得速度前馈控制量；

步骤(1.2.3)获取加速度前馈控制量：将转台坐标系中的目标速度值微分后获得目标速度值，然后将目标速度值乘以前馈系数以获得加速度前馈控制量；

步骤(1.2.4)获取速度给定控制量：将上述步骤(1.2.1)中得到的分段变参数PID控制量与上述步骤(1.2.2)中得到的速度前馈控制量及上述步骤(1.2.3)中得到的加速度前馈控制量相加作为速度给定控制量；

步骤(1.3)读取上述步骤(1.2)得到的速度给定控制量，并将速度给定控制量代入陀螺解耦速度环，以获取控制电机运动所需要的DA口电压控制量；

步骤(1.3.1)设置陀螺速度环，将上述步骤(1.2.4)得到的速度给定控制量代入所设置的陀螺速度环获取控制电机运动所需要的DA口电压控制量；具体步骤如下：

步骤(1.3.1.1)通过光纤陀螺获得转台的惯性空间速度值：控制器(1)每1ms通过AD口读取光纤陀螺的电压值，将该电压值乘以144得到惯性空间速度值；

步骤(1.3.1.2)获取陀螺速度偏差值：控制器(1)每1ms将读取的速度给定控制量减去上述步骤(1.3.1.1)中的空间速度值获得陀螺速度偏差值；

步骤(1.3.1.3)获取控制电机运动所需要的DA口电压控制量：将上述步骤(1.3.1.2)中得到的陀螺速度偏差值代入PI控制器计算出DA口电压控制量：

步骤(1.3.2)进行加速度阻尼补偿，获取控制电机运动所需要的新的DA口电压控制量，将该DA口电压控制量经驱动器功率放大后驱动电机带动转台运动，具体步骤如下：

步骤(1.3.2.1)获取码盘加速度信息：将码盘位置值微分二次后获得码盘加速度；

步骤(1.3.2.2)获取补偿控制信号：将上述步骤(1.3.2.1)中得到的码盘加速度经过非线性加速度控制器处理计算后得到补偿控制信号；

步骤(1.3.2.3)获取驱动器的新的DA口电压控制量：将上述步骤(1.3.2.1)中得到的DA口电压控制量减去上述步骤(1.3.2..2)中得到的补偿控制信号，所得差值分别作为新的DA口电压控制量；

步骤(1.3.2.4)驱动器将上述步骤(1.3.2.3)中得到的新的DA口电压控制量进行功率放大后，驱动力矩电机带动光电转台作出相应的运动。

3.根据权利要求2所述的一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)包括以下步骤：

步骤(2.1)对光电搜索跟踪转台急停的路径进行规划，给出急停时的目标位置给定值

步骤(2.2)将上述步骤(2.1)中得到的将目标位置给定值代入上述步骤(1.2)所述的带前馈的变参数PID复合控制中，获得相应的急停速度给定控制量；

步骤(2.3)将上述步骤(2.2)中得到的急停速度给定控制量代入上述步骤(1.3)所述的陀螺速度环稳定回路，获得相应的DA口急停电压控制量；

步骤(2.4)将上述步骤(2.3)中得到的DA口急停电压控制量进行功率放大后驱动力矩电机带动转台作出相应的急停运动。

4.根据权利要求3所述的一种车载动基座光电搜索跟踪转台的伺服控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)包括以下步骤：

步骤(3.1)进行脱靶量数据处理，获取跟踪分段变参数PID控制量

步骤(3.2)光电跟踪控制：获取控制电机运动的DA口跟踪电压控制量，从而使驱动力矩电机带动转台作跟踪运动，具体步骤如下：

步骤(3.2.1)获取跟踪时的速度滞后补偿控制量：将步骤(1.3.1)中测量的惯性空间速度值与滞后补偿系数相乘得到跟踪速度滞后补偿控制量；

步骤(3.2.2)获取跟踪时的加速度滞后补偿控制量

将步骤(1.3.1)中测量的惯性空间速度值微分后获得惯性空间加速度值与滞后补偿系数相乘得到跟踪速度滞后补偿控制量；

步骤(3.2.3)获取跟踪时的速度给定控制量。

将上述步骤(3.2.1)中获取的跟踪速度滞后补偿控制量与步骤(3.2.2)中获取的跟踪加速度滞后补偿控制量以及上述步骤(3.1)中获取的跟踪分段变参数PID控制量相加作为跟踪速度给定控制量；

步骤(3.2.4)获取DA口跟踪电压控制量：将上述步骤(3.2.3)中获取的跟踪时的速度给定控制量代入步骤(1.3)中所述的陀螺速度环稳定回路，获得相应的跟踪时的DA口电压控制量；

步骤(3.2.5)驱动器将上述步骤(3.2.4)中获取的跟踪时的DA口电压控制量进行功率放大后，驱动力矩电机带动转台作出相应的跟踪运动。

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