CN112859587B - 一种基于附加集成模块的pid目标跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法。在目标跟踪控制领域中，由于目标总是运动在低中频，因此低中频的跟踪精度是该***普遍关注的问题。本发明在光电跟踪实验平台上首先进行被控对象辨识，然后设计基于附加集成模块的PID控制器，针对控制器中参数调节问题，采用了多目标寻优算法解决，最后将本发明所提控制方法实施后完成对目标的跟踪。已知代表光电跟踪***跟踪精度的性能指标是误差抑制能力，在将基于附加集成模块的PID控制器与不添加集成模块的PID控制方法对比后，本发明所提控制方法在低中频的误差抑制能力明显优于PID，达到了提升跟踪精度的效果。
Description
技术领域
本发明属于光电***跟踪控制领域，具体涉及一种基于附加集成模块的PID控制器，用于目标跟踪。将附加集成模块加入传统PID控制器中，控制电机电压信号，有效提升***的误差抑制能力，充分提升光电跟踪***的跟踪精度。
背景技术
光电跟踪***由主控、伺服、图像、信号传输等分***组成，伺服***在接收到图像传感器的偏差信号后，根据控制器的输出信号-电压驱动电机旋转，从而减小跟踪误差。因此伺服***中控制器的设计是影响跟踪精度的重要因素。在大部分情况下，***总被设计成一型***，即***的开环传递函数中仅含有一个积分环节，此时***拥有一定的低频误差抑制能力。然而，在执行快速目标跟踪任务时，该一型***的跟踪能力就略显不足了。因此，文献《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控制器来使得***存在两个积分环节，从而提升***的无静差度；此外，该控制器的调参从幅值裕度和相位裕度考虑，即幅值裕度大于等于6dB，相位裕度大于等于45度，从而获得在2KHz采样频率下比一型***提升10dB的误差抑制效果。但该文未考虑***型别提升，从而相位滞后带来的稳定性下降问题。基于此，文献《A comprehensive performanceimprovement control method by fractional order control》[J].IEEE PhotonicsJournal,2018,10(5):1-11.对控制器进行了分数阶探索，即***的型别是在一型与二型之间，而不是积分环节个数的整数倍；此控制器的优势是，对比一型***具有较高的误差抑制能力，对比二型***却只有少量的相位滞后，因此该方法是采用一种折衷的办法来提升***的跟踪精度。由信号与信息处理基本理论得知，对于任意复杂信号，都可以看成由许许多多频率不同、大小不等的正弦波复合而成。而从控制理论角度出发，更高型别的控制回路具有抑制更高阶跟踪误差的能力，因此为了尽可能减小***跟踪误差，高型***一直属于研究热点。与此同时，高型回路的劣势是相位滞后带来的不稳定现象，为了更好地应用该控制算法优势，控制器的调参工作仍是重中之重。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了提升跟踪***的跟踪精度，本发明提出了一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法。该方法在原有PID控制器基础上加入集成模块，目的是提高控制回路的型别至三型，从而提升跟踪***的跟踪精度。与此同时，基于多目标寻优算法NSGA-II的控制器调参问题也被解决。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法，其具体步骤为：
步骤(1)、在跟踪平台上安装图像传感器(CCD：Charge-Coupled Device)，通过动态信号分析仪(DSA：Dynamic Signal Analyzer)对被控对象的位置特性测试，从而获得位置对象模型Gp(s)；
步骤(2)、在获取位置被控对象模型Gp(s)的基础上，设计比例-积分-微分(PID：Proportional-Integral-Derivative)控制器CP(s)，其中比例环节的存在是为了减小***跟踪误差，积分环节的存在是为了提升***无静差度；微分环节的存在是为了改善***动态性能；
步骤(3)、在已设计的PID控制器CP(s)的基础上加入附加集成模块Ca(s)，构成基于附加集成模块的PID控制器Cm(s)，其中集成模块Ca(s)的目的是提升***的型别至三型，从而提升***的无静差度；
步骤(4)、针对基于附加集成模块的PID控制器Cm(s)的待定参数，采用多目标寻优算法——非劣排序遗传算法(NSGA-II:Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II)寻优得出，其中性能指标分别是：***带宽，***误差抑制比，稳定裕度区间；
步骤(5)、通过设计基于附加集成模块的PID控制器Cm(s)，将其应用至实际***中产生电压信号控制电机，实现对目标的跟踪；在与不添加集成模块的PID控制方法对比后，达到了提升跟踪精度的效果。
利用以上五个步骤，即可通过基于附加集成模块的PID控制器完成对目标的跟踪。首先图像传感器检测***跟踪误差信号，其次误差信号输入位置控制器后得出电压信号，控制电机，从而跟踪平台转动，逐渐减小跟踪误差，完成跟踪任务。最后，通过对比，本发明所提控制方法在低中频(目标运动频段)的跟踪精度明显优于PID，达到了提升跟踪精度的效果。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)相较于传统一型回路控制方法，本发明提出的跟踪控制器具有更高的跟踪精度，具有跟踪更快速目标的优势；
(2)相对于常用提高跟踪精度的控制方法，如传感器信号融合，误差观测器等，本发明所提跟踪控制器不需要引入额外的控制回路或传感器；
(3)相较于传统数值调节控制器参数方法，本发明所提方法充分考虑***性能守恒原则，从多性能指标的角度考虑问题，更全面；
(4)本发明成本低、计算量小，充分利用***本身的条件，不会给***增加额外的成本、空间、负载和功耗。
附图说明
图1本发明的控制框图；
图2平台驱动电机以及负载的物理原理图；
图3***位置模型拟合图；
图4***位置闭环Bode图；
图5***使用纯PID与基于附加集成模块PID的误差抑制对比Bode图。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求书限定的全部内容；而且通过以下实施例对本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求书的全部内容。
本发明一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法，具体包括如下步骤：
(1)本发明的控制框图如图1所示。该框图使用输出信号y对输入信号r完成跟踪功能。其中G(s)为由图像传感器测得的位置被控对象，C(s)是控制器，用于输出电压信号u，e是图像传感器探测得到的跟踪误差，F(s)是开环传递函数，T(s)是闭环传递函数。
下面以基于音圈电机驱动的光电跟踪实验平台在单方向上跟踪过程为例，对其模型进行简化分析，如图2所示。由电路平衡原理可得：
其中Ua为音圈电机的电枢电压，Kb为电机反电势系数，θa为平台的偏转角，Ra为电机电枢回路电阻，Ia为电机电枢回路电流，La为电机电枢回路电感，t为时间。
又由电机力矩平衡方程式可得：
其中Cm为音圈电机的力系数，Ia为电机电枢回路电流，d为弹性支撑到音圈电机中心距离，J为平台的负载转动惯量，θa为平台的偏转角，fm为平台的机械阻尼系数，K为弹性支撑弹性系数，t为时间。
将电路平衡原理及电机力矩平衡方程式合并消除Ia(t)，并通过拉普拉斯变化可得驱动输入电压Ua和输出偏转角度θa的传递函数：
其中s为拉普拉斯算子。
由此可见，平台偏转角度与输入电压的传递模型呈现为一个近似三阶滤波器环节。由于分子为常数，其在低频段，输入电压与输出角度可认为是一个比例特性，这也说明输入电压在物理量纲上对应输出角位置。根据多项式理论，分母的三阶多项式总存在一个实数根，因此平台的传递函数可以分解为一个比例环节、一个惯性环节和一个二阶振荡环节的串联。
其中，K为惯性环节系数，Te为一阶惯性环节惯性系数，
为二阶振荡环节自然频率，ξ为二阶振荡环节阻尼比，s为拉普拉斯算子。
(2)图3显示了***扫频得到实测的***的位置传递函数Bode图。实线表示实测曲线，虚线是根据典型环节辨识后得到的对象。
经过图3的对象辨识之后，采用零极点对消原则设计位置环PID控制器：
其中比例环节参数
微分环节参数
待定参数为积分环节参数ki与Tc。
控制器分子部分
与被控位置对象分母中二阶振荡环节用于零极点对消，惯性环节
为低通滤波器，为了保证控制器Cp(s)的因果性，同时用于滤除高频噪声。
(3)设计基于附加集成模块的PID控制器Cm(s)，驱动电机。
集成模块Ca(s)与基于附加集成模块的PID控制器Cm(s)分别表示为：
其中，k,a,b分别表示集成模块中比例环节，两个一阶微分环节的系数，且kc＝kki。由于Tc为低通滤波器，其总是设定在二分之一采样频率点附近，本次实验采用采样频率为1K赫兹，将Tc设置为0.00032。因此待定参数为kc,a,b。
(4)通过NSGA-II多目标寻优算法求解待定参数kc,a,b。
其中，性能指标分别是：
其中，J1,J2,J3分别表示带宽，误差抑制比，稳定裕度区间的性能指标，ωB表示***闭环Bode图中幅值为-3dB对应的频率点，ω0和ωc分别表示***的初始频率和开环截止频率，|Em(jω)|是***频域误差抑制函数在Bode图幅频曲线中幅值的绝对值，且s＝jω；ωb和ωa分别表示***开环Bode图相频曲线中，相位裕度为45度对应的两个频率点，且ωb＞ωa。在最终寻优结果中选取误差抑制比最高的一组参数，即kc＝5990,a＝1.2,b＝0.03。
(5)将控制器应用至实际***测得闭环特性，图4显示了***位置闭环后的Bode图，图中表示跟踪带宽在5赫兹左右。
(6)对比采用纯PID控制器Cp(s)与基于附加集成模块的PID控制器Cm(s)的误差抑制能力，图5显示了两种***误差抑制特性对比Bode图。
经过对比，可以看出，通过采用本发明的方法，跟踪误差抑制曲线在3.3赫兹以下(低中频)得到了提高。具体地，在1赫兹处有10dB左右的提升效果。由于目标总是运动在低中频，因此该方法可有效提升跟踪***的跟踪精度，并具有跟踪更快速目标的潜力。
利用以上六个步骤，即完成通过基于附加集成模块的PID控制器实现目标跟踪的控制方法。在不添加控制回路，也不引入额外传感器的情况下实现了跟踪***跟踪精度的提升。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (4)
1.一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法，其特征在于：包括步骤如下：
步骤(1)、在跟踪平台上安装图像传感器，CCD：Charge-Coupled Device，通过动态信号分析仪，DSA：Dynamic Signal Analyzer，对被控对象的位置特性测试，从而获得位置被控对象模型Gp(s)；
步骤(2)、在获取位置被控对象模型Gp(s)的基础上，设计比例-积分-微分(PID：Proportional-Integral-Derivative)控制器CP(s)，其中比例环节的存在是为了减小***跟踪误差，积分环节的存在是为了提升***无静差度；微分环节的存在是为了改善***动态性能；
步骤(3)、在已设计的PID控制器CP(s)的基础上加入附加集成模块Ca(s)，构成基于附加集成模块的PID控制器Cm(s)，其中附加集成模块Ca(s)的目的是提升***的型别至三型，从而提升***的无静差度；
步骤(3)中对于附加集成模块Ca(s)与基于附加集成模块的PID控制器Cm(s)，表达式如下所示：
上式中，k,a,b分别是Ca(s)中比例环节，两个一阶微分环节的系数，且kc＝kki，从基于附加集成模块的PID控制器Cm(s)表达式可以看出，其在PID控制器CP(s)的基础上引入了两个积分算子，两个一阶微分环节，一个比例环节，其中，积分环节是为了提升跟踪***的跟踪精度，但同时也为***引入了180度的相位滞后，因此使用两个一阶微分环节提升***相位，使开环稳定裕度不致过低而引起***不稳定现象；比例环节的存在是为了最后调节开环***的开环增益；
步骤(4)、针对基于附加集成模块的PID控制器Cm(s)的待定参数，采用多目标寻优算法——非劣排序遗传算法NSGA-II:Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II寻优得出，其中性能指标分别是：***带宽，***误差抑制比，稳定裕度区间；
步骤(5)、通过设计基于附加集成模块的PID控制器Cm(s)，将其应用至实际***中产生电压信号控制电机，实现对目标的跟踪；在与不添加集成模块的PID控制方法对比后，达到了提升跟踪精度的效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法，其特征在于：步骤(1)中采用DSA测量被控对象时，输入信号为正弦扫频电压信号，输出信号为图像传感器的位置信号，从而获得位置被控对象模型Gp(s)；其次需要对实测曲线进行离线辨识，根据曲线走势初步判断其属于典型环节的类型，然后细调典型环节中参数大小。
3.根据权利要求1所述的一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法，其特征在于：步骤(2)中PID控制器表达式如下：
上式中，kp,ki,kd分别是比例、积分、微分环节的系数，Tc是为了使CP(s)满足因果性的惯性环节系数，s是频域“拉普拉斯”算子。
4.根据权利要求1所述的一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法，其特征在于：步骤(4)中，由于***的性能守恒，而实际***的各项性能指标有时是互斥的，因此基于带宽，误差抑制比，稳定裕度区间被作为衡量指标用于NSGA-II求解控制器参数，性能指标表达式如下：
其中，J1,J2,J3分别表示带宽、误差抑制比、稳定裕度区间的性能指标，ωB表示***闭环Bode图中幅值为-3dB对应的频率点，ω0和ωc分别表示***的初始频率和开环截止频率，|Em(jω)|是***频域误差抑制函数在Bode图幅频曲线中幅值的绝对值，且s＝jω；ωb和ωa分别表示***开环Bode图相频曲线中，相位裕度为45度对应的两个频率点，且ωb>ωa；
利用步骤(1)-(5)，即可通过基于附加集成模块的PID控制器完成对目标的跟踪，首先图像传感器检测***跟踪误差信号，其次误差信号输入位置控制器后得出电压信号，控制电机，从而跟踪平台转动，逐渐减小跟踪误差，完成跟踪任务；最后，通过对比，该控制方法在低中频即目标运动频段的跟踪精度明显优于PID，达到了提升跟踪精度的效果。
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