[发明专利]一种基于指标优化的倾斜镜控制器设计方法

说明书

本发明公开了一种基于指标优化的倾斜镜控制器设计方法。提出了一种基于指标优化的倾斜镜控制器分析与设计方法。区别于目前光电跟踪系统中倾斜镜控制器设计广泛采用的，PID控制和频域校正设计的方法。引入了最优控制理论辅助分析与设计倾斜镜控制器。提出了一套新型的基于指标评价函数的倾斜镜控制器设计流程。这种方法为基于指标优化的倾斜镜控制器设计提供了理论依据，简化了光电跟踪系统中倾斜镜控制器的设计步骤。这种控制器超调量小，快速性好，设计步骤简单，便于工程实现。

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，具体涉及一种基于指标优化的倾斜镜控制器设计方法。

背景技术

倾斜镜响应速度快，跟踪精度高，被广泛应用于复合轴跟踪系统例如光电望远镜中，随着现代科技的进步，目标拥有更复杂的运动特性，更高的速度，加速度以及姿态速率。同时，随着基于运动平台的捕获跟踪系统被大量使用，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。如何根据目标运动特性，不同控制过程需求，精确的设计倾斜镜控制器是现在面临的难题。

目前光电跟踪系统中的倾斜镜控制器设计方法多采用传统PID控制策略，通过对倾斜镜的机械与电气特性建模，设计相关PID参数，并通过工程反复调试的方法实现倾斜镜控制。对于传统PID控制，控制参数需要大量时间反复整定，且控制器性能指标不能直观表现。随着数字控制器的普及，频域校正策略很好的解决了这个问题，工程人员利用被控对象的频率响应特性，例如截止频率，相位裕度，幅值裕度等频域特性，直观的分析与设计控制器，简化了控制器参数的整定步骤，控制器的性能指标也可以被直观的表达。

目前，基于频域校正的倾斜镜控制器设计方法，能满足大多数场合的应用需求，但随着目标运动特性越发复杂，光电跟踪系统的跟踪模式越发复杂，频域校正方法难以根据目标运动特性与不同控制的需求，精确地设计倾斜镜控制器。因此需要研究一种能根据不同控制需求，适应不同目标运动特征的倾斜镜控制器设计方法。

发明内容

本发明解决了如下跟踪控制问题：提出了基于指标优化的倾斜镜控制器设计方法，克服了现有光电跟踪系统中倾斜镜无法根据不同的控制需要和目标运动特性设计控制器的缺陷。简化了基于新型最优控制的倾斜镜控制器设计步骤。

本发明采用的技术方案为：一种基于指标优化的倾斜镜控制器设计方法，实现步骤如下：

步骤(1)、根据控制过程的需求，选择合适的指标评价函数，光电跟踪系统中倾斜镜的控制需求为：快速响应给定信号的同时超调量小，采用时间和误差的积分可以减小较大的初始误差造成的超调，由于指标评价函数中带有时间和误差，控制过程同时兼顾系统的响应速度和超调量；

评价指标函数模型为：

其中，J为评价函数的取值，当J达到极小值时，控制系统是最优的，t为控制时间，t₀为初始状态时间，t_f为末态时间，e(t)为倾斜镜的给定角位置与当前角位置的误差，u(t)为单位阶跃输入，同理，若控制过程需求为跟踪误差最小；

评价指标函数模型为：

步骤(2)、建立倾斜镜的传递函数模型G(s)

结合倾斜镜的机械特性与电气特性，使用一个二阶环节表征倾斜镜的机械特性，使用2个一阶环节表征倾斜镜的电气特性，使用一个反谐振环节表征倾斜镜的高阶谐振特性，