[發明專利]一種基于附加集成模塊的PID目標跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 202110044826.8
• 申請日: 2021-01-13
• 公開（公告）號: CN112859587B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 毛耀;段倩文;何秋農;劉超
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明

1.一種基于附加集成模塊的PID目標跟蹤控制方法，其特征在于：包括步驟如下：

步驟(1)、在跟蹤平臺上安裝圖像傳感器，CCD：Charge-Coupled Device，通過動態信號分析儀，DSA：Dynamic Signal Analyzer，對被控對象的位置特性測試，從而獲得位置被控對象模型G_p(s)；

步驟(2)、在獲取位置被控對象模型G_p(s)的基礎上，設計比例-積分-微分(PID：Proportional-Integral-Derivative)控制器C_P(s)，其中比例環節的存在是為了減小系統跟蹤誤差，積分環節的存在是為了提升系統無靜差度；微分環節的存在是為了改善系統動態性能；

步驟(3)、在已設計的PID控制器C_P(s)的基礎上加入附加集成模塊C_a(s)，構成基于附加集成模塊的PID控制器C_m(s)，其中附加集成模塊C_a(s)的目的是提升系統的型別至三型，從而提升系統的無靜差度；

步驟(3)中對于附加集成模塊C_a(s)與基于附加集成模塊的PID控制器C_m(s)，表達式如下所示：

上式中，k,a,b分別是C_a(s)中比例環節，兩個一階微分環節的系數，且k_c＝kk_i，從基于附加集成模塊的PID控制器C_m(s)表達式可以看出，其在PID控制器C_P(s)的基礎上引入了兩個積分算子，兩個一階微分環節，一個比例環節，其中，積分環節是為了提升跟蹤系統的跟蹤精度，但同時也為系統引入了180度的相位滯后，因此使用兩個一階微分環節提升系統相位，使開環穩定裕度不致過低而引起系統不穩定現象；比例環節的存在是為了最后調節開環系統的開環增益；

步驟(4)、針對基于附加集成模塊的PID控制器C_m(s)的待定參數，采用多目標尋優算法——非劣排序遺傳算法NSGA-II:Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II尋優得出，其中性能指標分別是：系統帶寬，系統誤差抑制比，穩定裕度區間；

步驟(5)、通過設計基于附加集成模塊的PID控制器C_m(s)，將其應用至實際系統中產生電壓信號控制電機，實現對目標的跟蹤；在與不添加集成模塊的PID控制方法對比后，達到了提升跟蹤精度的效果。

2.根據權利要求1所述的一種基于附加集成模塊的PID目標跟蹤控制方法，其特征在于：步驟(1)中采用DSA測量被控對象時，輸入信號為正弦掃頻電壓信號，輸出信號為圖像傳感器的位置信號，從而獲得位置被控對象模型G_p(s)；其次需要對實測曲線進行離線辨識，根據曲線走勢初步判斷其屬于典型環節的類型，然后細調典型環節中參數大小。

3.根據權利要求1所述的一種基于附加集成模塊的PID目標跟蹤控制方法，其特征在于：步驟(2)中PID控制器表達式如下：

上式中，k_p,k_i,k_d分別是比例、積分、微分環節的系數，T_c是為了使C_P(s)滿足因果性的慣性環節系數，s是頻域“拉普拉斯”算子。

4.根據權利要求1所述的一種基于附加集成模塊的PID目標跟蹤控制方法，其特征在于：步驟(4)中，由于系統的性能守恒，而實際系統的各項性能指標有時是互斥的，因此基于帶寬，誤差抑制比，穩定裕度區間被作為衡量指標用于NSGA-II求解控制器參數，性能指標表達式如下：

其中，J₁,J₂,J₃分別表示帶寬、誤差抑制比、穩定裕度區間的性能指標，ω_B表示系統閉環Bode圖中幅值為-3dB對應的頻率點，ω₀和ω_c分別表示系統的初始頻率和開環截止頻率，|E_m(jω)|是系統頻域誤差抑制函數在Bode圖幅頻曲線中幅值的絕對值，且s＝jω；ω_b和ω_a分別表示系統開環Bode圖相頻曲線中，相位裕度為45度對應的兩個頻率點，且ω_bω_a；

利用步驟(1)-(5)，即可通過基于附加集成模塊的PID控制器完成對目標的跟蹤，首先圖像傳感器檢測系統跟蹤誤差信號，其次誤差信號輸入位置控制器后得出電壓信號，控制電機，從而跟蹤平臺轉動，逐漸減小跟蹤誤差，完成跟蹤任務；最后，通過對比，該控制方法在低中頻即目標運動頻段的跟蹤精度明顯優于PID，達到了提升跟蹤精度的效果。