[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

本發明提供一種基于附加集成模塊的PID目標跟蹤控制方法。在目標跟蹤控制領域中，由于目標總是運動在低中頻，因此低中頻的跟蹤精度是該系統普遍關注的問題。本發明在光電跟蹤實驗平臺上首先進行被控對象辨識，然后設計基于附加集成模塊的PID控制器，針對控制器中參數調節問題，采用了多目標尋優算法解決，最后將本發明所提控制方法實施后完成對目標的跟蹤。已知代表光電跟蹤系統跟蹤精度的性能指標是誤差抑制能力，在將基于附加集成模塊的PID控制器與不添加集成模塊的PID控制方法對比后，本發明所提控制方法在低中頻的誤差抑制能力明顯優于PID，達到了提升跟蹤精度的效果。

技術領域

本發明屬于光電系統跟蹤控制領域，具體涉及一種基于附加集成模塊的PID控制器，用于目標跟蹤。將附加集成模塊加入傳統PID控制器中，控制電機電壓信號，有效提升系統的誤差抑制能力，充分提升光電跟蹤系統的跟蹤精度。

背景技術

光電跟蹤系統由主控、伺服、圖像、信號傳輸等分系統組成，伺服系統在接收到圖像傳感器的偏差信號后，根據控制器的輸出信號-電壓驅動電機旋轉，從而減小跟蹤誤差。因此伺服系統中控制器的設計是影響跟蹤精度的重要因素。在大部分情況下，系統總被設計成一型系統，即系統的開環傳遞函數中僅含有一個積分環節，此時系統擁有一定的低頻誤差抑制能力。然而，在執行快速目標跟蹤任務時，該一型系統的跟蹤能力就略顯不足了。因此，文獻《PID-I controller of charge coupled device-based tracking loop forfast-steering mirror》[J].Optical Engineering,2011,50(4):043002.提出了PID-I控制器來使得系統存在兩個積分環節，從而提升系統的無靜差度；此外，該控制器的調參從幅值裕度和相位裕度考慮，即幅值裕度大于等于6dB，相位裕度大于等于45度，從而獲得在2KHz采樣頻率下比一型系統提升10dB的誤差抑制效果。但該文未考慮系統型別提升，從而相位滯后帶來的穩定性下降問題。基于此，文獻《A comprehensive performanceimprovement control method by fractional order control》[J].IEEE PhotonicsJournal,2018,10(5):1-11.對控制器進行了分數階探索，即系統的型別是在一型與二型之間，而不是積分環節個數的整數倍；此控制器的優勢是，對比一型系統具有較高的誤差抑制能力，對比二型系統卻只有少量的相位滯后，因此該方法是采用一種折衷的辦法來提升系統的跟蹤精度。由信號與信息處理基本理論得知，對于任意復雜信號，都可以看成由許許多多頻率不同、大小不等的正弦波復合而成。而從控制理論角度出發，更高型別的控制回路具有抑制更高階跟蹤誤差的能力，因此為了盡可能減小系統跟蹤誤差，高型系統一直屬于研究熱點。與此同時，高型回路的劣勢是相位滯后帶來的不穩定現象，為了更好地應用該控制算法優勢，控制器的調參工作仍是重中之重。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：為了提升跟蹤系統的跟蹤精度，本發明提出了一種基于附加集成模塊的PID目標跟蹤控制方法。該方法在原有PID控制器基礎上加入集成模塊，目的是提高控制回路的型別至三型，從而提升跟蹤系統的跟蹤精度。與此同時，基于多目標尋優算法NSGA-II的控制器調參問題也被解決。

本發明解決上述技術問題采用的技術方案為：一種基于附加集成模塊的PID目標跟蹤控制方法，其具體步驟為：

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；