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   光電跟蹤儀中的伺服控制系統是光電跟蹤設備的重要組成部分，其跟蹤精度是衡量光電跟蹤設備的主要指標，實現高精度跟蹤控制，成為許多高精度光電跟蹤設備必須解決的難題之一。因此要獲得高精度的光電跟蹤儀，必須深入了解其伺服控制系統。本文從光電跟蹤儀伺服控制系統的基本原理、關鍵技術及其國內外發展現狀與發展趨勢三方面對其進行了介紹，為伺服控制系統的設計及研究提供了參考。

前言

   光電跟蹤伺服控制系統是一個包括光電探測、信號處理、控制系統及精密機械等幾部分組成的復雜設備。它的主要功能是根據光電傳感器送來的目標位置偏差信號的大小及方向控制伺服電機驅動跟蹤軸，減小偏差，實現對目標的光電閉環自動跟蹤，其具有實時性、精度高的特點，在靶場測量、武器控制、航空等各種軍用與民用領域有著廣泛的應用。

   隨著現代技術的發展、目標機動性能的增強，對光電跟蹤儀的伺服控制系統要求越來越高，要求其響應更快、穩定和跟蹤精度更高。某些系統甚至要求跟蹤精度達到1μrad。多年來，國內外的科技工作者在提高光電跟蹤儀伺服控制系統跟蹤精度方面進行了深入的伺服控制策略方面的研究。

1、光電跟蹤儀伺服控制系統的原理

   該系統一般由計算機控制單元、環路控制單元、電源及控保單元、功率驅動單元及轉臺、驅動電機組成。其基本原理是：計算機控制單元接受光電傳感器送來的目標位置偏差信號（引導信號），并采集各端口的控制狀態，根據當前的工作模式，經過一定的算法運算對信號進行處理后，送至環路控制單元，環路控制單元通過控制伺服轉臺電機驅動轉臺帶動光電傳感器，使光電傳感器的光軸指向目標，達到自動跟蹤的目的。

1.1計算機控制單元

   計算機控制單元主要完成接收轉臺測角數據、接收激光距離數據、接收電視差值數據、完成系統自檢、采集各種工作狀態和通道切換等功能。系統具有手動、自動和引導等工作模式。

1.2環路控制單元

   為保證系統具有良好的控制特性，環路控制模塊通常采用位置環、速度環、電流環三環控制技術。

   其中，電流環是系統內環，可以看作速度環的一個環節，具有控制電機電流、防止電機電流超過額定值、拓寬系統帶寬、抵抗負載力矩擾動和改善電機動態性能等功能。為使電機電流超調量小，電流環設計成典型Ⅰ型系統。速度環設計成Ⅱ型系統。位置環保證系統按一定的精度完成自動跟蹤，為保證系統跟蹤精度，位置環設計成Ⅱ型結構。Ⅱ型結構與Ⅰ型結構相比，具有抗干擾能力強，速度響應無靜差的優點，缺點是超調量大。

2、光電跟蹤儀國內外發展現狀及趨勢

2.1國內外發展現狀

   在電視跟蹤領域，目前國內外主要的控制方法是以經典控制方法為主，各種改進方法都是在此基礎上針對系統中影響較大的因素加以補償。國內的大型光測儀器，也是多采用速度滯后補償、加速度滯后補償等控制方法構成近似復合控制。國外許多光測設備也采用了經典的PID控制技術。

   在“雙模控制”技術方面，美國多反射鏡望遠鏡MMT設計了一個準最優控制定值時積分器不工作，而是用位置誤差平方根控制速度回路的系統，它將產生一個具有恒定加速度的拋物線軌跡，使位置誤差和速度誤差同時到達0。MMT的過渡過程十分平穩，跟蹤精度達到1.5''，為地面設備最高水平。

   在自適應光學性能方面，目前國內外已經開展自適應光學與精密跟蹤系統相結合的研究，雖然很多理論與技術問題需要解決，但采用自適應光學的跟蹤系統仍是極有前途的跟蹤系統。

   在高精度軸角測量技術方面，美國法蘭德感應同步器分辨率為47nrad，相當于26位。據報道，美國分辨率最高的編碼器為27位，但測角精度約僅達到1''(5μrad)。

2.2發展趨勢

   光電跟蹤系統結構復雜，許多參數難以精確確定，在建立系統的數學模型時，具有嚴重的非線性；由于經典控制方法多用于線性定常系統，主要研究單輸入單輸出問題，它不適合控制對象參數變化、非線性程度大等場合。

   而機動目標跟蹤的基本問題是目標模型的動力學方程與目標的實際運動存在著不匹配。跟蹤過程就是估計目標當前時刻(濾波)和未來時刻(預測)的狀態，包括各種運動參數。通常，估計是在兩種不確定性情況下進行的，即由于目標的高度機動所產生的目標模型的不確定性，以及由于干擾、噪聲導致的量測的不確定性，這就導致量測與現有航跡互聯時產生誤差。正因為如此，數十年來，機動目標跟蹤已成為估計領域很重要的研究方向。

   正是由于目標機動時經典控制方法不能很好的反映系統的實際，近些年來一些新型的控制方法不斷應用到跟蹤伺服控制系統中來，提高了目標跟蹤的穩定性。這些新型的控制方法包括多模控制、自適應控制、變結構控制、模糊控制、魯棒控制、神經網絡控制以及它們之間相互滲透形成的混合控制。美國的MMT多反射鏡系統和JCMT系統均采用了雙模控制技術，大大提高了系統的響應速度，增強了捕獲能力。

3、光電跟蹤儀伺服控制系統的關鍵技術

3.1復合控制技術

   在一般的閉環控制中，通過提高開環增益或者增加積分環節以提高無差度來提高跟蹤精度，但同時給系統的穩定性造成了影響。復合控制就是在閉環控制系統中再增加一開環控制支路，用以提供輸人信號的一次微分或二次微分。該系統被稱為復合控制或前饋控制系統。利用復合控制可以較好地解決一般閉環伺服系統普遍存在的跟蹤精度與穩定性之間的矛盾，很容易將跟蹤精度提高幾倍乃至幾十倍，但又不影響原閉環系統的穩定性。

3.2瞄準線穩定技術

   在光電跟蹤伺服系統中，由于載體的姿態變化，擾動力矩都會使瞄準線指向發生變化，為了能對被觀測目標進行跟蹤觀測，要求光電平臺指向能按照給定指令按一定規律運動。跟蹤伺服系統會受到周期性的擾動，造成跟蹤精度下降，甚至丟失目標。為準確跟蹤目標，減小載體運動給跟蹤瞄準帶來的擾動誤差，須建立穩定分系統將天線視軸與基座擾動隔離，達到輸出視軸“穩定”在慣性空間方向。

   目前，工程上常用的兩軸穩定一般有兩種方法：一種是解算穩定技術，另一種是陀螺穩定技術。解算穩定技術是利用載體上的導航系統提供的偏航、橫搖、縱搖等姿態信息，通過計算機進行實時坐標變換，將載體的姿態運動信息轉換到瞄準線的方位角和俯仰角的等效運動，利用天線伺服系統控制天線向相反方向運動，實現瞄準線的穩定。其缺點穩定精度與載體提供的姿態信息精度和實時性關系密切。

   陀螺穩定技術主要原理是在天線方位和俯仰軸上安裝兩個敏感軸相互垂直的速率陀螺，分別敏感出天線在方位和俯仰上相對于穩定坐標系的運動，并將此信號作為速度反饋，以此實現回路穩定。由于穩定是二維的，而擾動時三維的，載體繞第三軸的運動無法被陀螺所敏感而造成牽連運動。它造成了無線電軸隨載體的擺動，使其偏離了跟蹤目標，穩定系統無法消除這種擾動。為此，載體擺動引起的電軸偏離跟蹤目標所產生的誤差，由計算機補償來完成。

   采用速度陀螺的自穩回路是目前通用的一種自穩定技術。其充分將載體本身提供的姿態數據引入到系統中，增加一個控制環路可以很好地提高系統對載體搖擺和低頻振動基座的隔離度。

3.3等效復合控制與預測濾波技術

   在激光、紅外和電視等光電跟蹤系統中，傳感器只能提供目標與傳感器視軸之間的偏差，即跟蹤誤差，無法給定目標的空間坐標位置，因此也無法給出目標的速度與加速度，所以直接應用復合控制是無法實現的。

   解決的辦法一種是等效復合控制，即采用速度滯后補償的辦法。因目標位置為瞄準線位置和傳感器的跟蹤誤差之和，即

   通過上述運算就可近似得到目標速度，進而構成復合控制。顯然傳感器系統測得的跟蹤誤差具有滯后性，所以可以通過滯后補償技術或者預測濾波技術進一步提高跟蹤精度。也就是第二種方法即采用濾波預測技術，用濾波預測技術可在跟蹤中預測目標位置和速度等運動參數。常用的預測濾波有幾種。即有限記憶最小平方濾波、常增益最優遞推濾波、自適應濾波和卡爾曼濾波。

3.4復合軸控制技術

   對于大加速度目標，實現高精度跟蹤，按經典控制理論采用單軸的伺服控制系統是困難的，它不僅受到寬視場高分辨率，快速響應的探測器的限制，同時也受到光機跟蹤架的機械結構諧振頻率的限制。理論和實踐表明，復合軸伺服控制技術是解決上述矛盾，實現武器精密跟瞄的一種行之有效的途徑，目前已取得角秒級或更高的跟蹤精度。

   復合軸控制系統有兩個嵌套型的伺服控制回路組成：一個主伺服回路和一個子伺服回路。主伺服控制回路起粗跟蹤瞄準作用，其跟蹤的視場大，頻帶較窄，跟蹤精度差，但動態范圍寬，可完成目標的捕獲與粗跟蹤。子伺服控制回路以主伺服控制回路的誤差信號作輸人信號，對該誤差信號通過反饋進一步實現校正，其跟蹤的視場小、頻帶寬、響應快和跟蹤精度高，能在主伺服粗跟蹤的基礎上完成精跟蹤。因此，子伺服回路起精密校準作用，進一步減小了主回路的跟蹤瞄準誤差，其特點為：

   （1）復合軸系統的快速性與子軸的一致，由于復合軸系統的無差度等于主、子系統無差度之和。因此，系統具有很高的跟蹤精度。

   （2）子、主系統穩定是復合軸系統穩定的前提，在實際系統中，要達到一定的穩定裕度，還必須提高子、主系統的帶寬比。

   （3）子軸克服主軸誤差高頻分量的能力反映了其克服主軸誤差的能力。這種能力越強，系統動態跟蹤的均方誤差越小。提高這種能力的關鍵在于提高子、主系統的帶寬比。

   當前復合軸跟蹤控制技術已廣泛應用于光電跟蹤系統上，獲得了角秒級或更高的跟蹤精度。

3.5共軸跟蹤技術

   為了抑制目標回波起伏和接收機噪聲必須把伺服系統的帶寬限制在很窄的范圍內，在現代雷達伺服控制系統中，更多的是采用數據處理技術對數據加以濾波修正，從而達到減小系統總誤差的目的。共軸跟蹤技術就是把濾波與伺服兩者分離即把目標數據輸出與天線指向分離開來，采用數字處理技術提供精確的雷達數據輸出，而伺服系統只保證天線的跟蹤指向，從而解決了雷達輸出數據的精度受伺服系統質量束縛的限制。

   采用共軸跟蹤技術構成的光電跟蹤儀伺服控制系統有兩部分組成，一是目標位置合成、濾波、預測；二是后面的數字隨動系統，這兩部分基本是相互獨立的。第一部分可以采用濾波預測技術，對數據進行最佳濾波，濾波器頻帶與后面伺服系統關系不大，主要與目標特性及探測器有關。這樣濾波器可以按盡量濾除探測器噪聲設計，而數字隨動系統部分可以按照盡量減小動態滯后誤差設計，還可以用目標運動參數引導數字隨動系統，構成典型的復合控制，可以按減小動態滯后誤差作最佳設計。

   由于采用的是復合控制，濾波器還可以對其它的系統誤差作補償校正，系統跟蹤精度可以很高。這樣就可以像引導工作一樣，構成復合控制。速度前饋信號通過對合成目標位置、速度預測濾波得到。由得到的合成目標位置數據對設備進行引導，引導期間不再使用電視脫靶量、紅外脫靶量，而只用編碼器位置數據與目標位置數據之差調節跟蹤系統，同時將合成目標的速度信息送入控制系統。

3.6其它高精度控制技術

   對時間最優控制要求跟蹤系統在跟蹤過程中，快速過渡無超調，即系統從一個狀態轉移到另一個狀態，目標函數為最小。最優控制幾乎都是用計算機實現。

   工程上通常采用“雙模控制”方式，即調節對象按線性和開關2種控制方式工作。當誤差超出一定區域時系統以開關方式工作，以便迅速減小誤差；當系統進入轉換區域后轉入線性控制，使誤差迅速接近0。

   具有自適應光學的高精度跟蹤瞄準系統可以克服大氣擾動影響。其波前探測器可檢測出波前失真，然后由控制系統產生信號驅動變形反射鏡以補償波前失真。校正后的波束入射到跟蹤探測器上可獲得高分辨率的目標像，提高了探測精度，亦即可以提高跟蹤精度。

   柔性控制可以保持原結構的柔性，用一個多輸人多輸出的數字控制系統來控制視軸而不是機架，美國已在某大型跟蹤系統上作了嘗試。柔性控制要求在結構分析和控制系統分析之間建立一套嚴格的數學關系，顯然應用此項技術難度很大。如果能成功地應用柔性控制，就可以建立一個小而輕的跟蹤架結構。

   計算機控制和信息處理是跟蹤系統的關鍵技術之一。由于高精度跟蹤瞄準系統要處理的信息量大、采樣頻率又高，所以提高運算速度至關重要。除采用盡可能高速度的計算機外，主要應將功能分散，采用多機并行系統，提高軟件功能，軟件硬化及研制專用機等。由于超大規模集成電路的發展，集成度越來越高，速度也越來越快，這些都為計算機在高精度跟蹤瞄準系統中的應用帶來了充分的條件，也使計算機控制性能越來越好。

4、結論

    隨著自動控制理論的不斷發展，光電跟蹤中伺服控制系統新的控制方法也隨之涌現，特別是自適應濾波和預測方法、數據融合技術的逐漸引入，提高了目標發生機動時的跟蹤的穩定性。而且計算機的離線應用，實現了對控制系統的分析、設計和建模等的數字仿真，縮短了設計周期，提高了設計質量。