基于QFT的光电稳定控制系统设计与分析
光电稳定跟踪装置的控制系统设计_张智永
velo city-stabilized loo p
通常 , 速率稳定回路可以简化到图 1 所示的 形式 。图中 , ωi 和 ωo 分别表示速率回路的指令输
频率点 , 使用正弦信号激励系统 , 并计算输入信号
与输出信号的幅度比和相位差 , 依据式(5)便可得
到系统的频率响应特性 , 这就是工程中普遍使用
第4期
张智永 , 等 :光电稳定跟踪装置的控制系统设计
683
的“扫频法” 。如果系统输出的测量不包含测量噪 声和系统非线性的影响 , 直接使用双踪示波器观 察系统的输入输出信号便可得到该幅度比和相位 差 。 但是 , 在实际测量中 , 实验得到的数据往往反 映了一些系统非线性因素的影响 , 包含了一些噪 声 , 同时由于机电系统存在瞬态过程 , 必须对测得 的响应数据进行适当的信号处理 。同时 , 目前广 泛使用的数字化频率测试仪输出的离散正弦信号 实际上是标准正弦信号的一组抽样值 u(k T ), 如 图 2 所示 。该信号实际上可以看作是由一系列阶 跃信号组成的 , 如果考虑以该信号的平均值作为 系统的输入(如图 2 中虚线所示), 可以看出被测 系统的实际驱动信号比期望值滞后了半个采样周 期(T /2)。运用频率响应分析的方法可知 :
入和速度输出 , ωf 表示由陀螺测量得到的惯性角
速率 , ωb 表示姿态干扰耦合到平台输出轴的角速
率 , K f 表示陀螺增益(因为陀螺带宽比回路带宽 宽 , 等效为比例环节 , 考虑 ωf 和 ωo 单位统计的关
系 , 一般将 K f 化为 1), GV (s)和 GO(s)分别表示
基于EA／QFT的飞行控制律设计及其稳定性评估
２ 基 本 理 论 简 介
２ １ 特征 结构配置 ．
运用状态反馈或者输 出反馈对 系统的特征值 和特 征 向量进行配置 的方法 称为特征结构配置 。通过对特征结
构的配置 ，可以使 系统达到预定的性能要求 ，尤其具有
实践 意义的 是 ，特征 结构配置 能够实 现变量 间的解 耦 。 对线性 时不变 系统 的状态 方程 ：
其 中 ∈Ｒ ， Ｙ∈Ｒ ，Ｕ∈Ｒ ， Ａ ∈Ｒ“ ，
Ｂ∈尺ｎ ， Ｃ∈尺 ，上述 系统是 可控可观 的，且认 为
ｒｎ （ 、 ａ ｋ Ｂ ：ｍ
ｇ：
，ｒｎ （ ） ａ ｋ Ｃ ＝ｒ 。 利 用 输 出 反 馈
：ＦＣ 来进 行特征 结构配 置 。
对于系统 （ ． ） １ １ ，存在一个 输出反馈矩 阵，满足如
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《 动 技 与 用 ２０年 ７ 第５ 自 化 术 应 ０８ 第２卷 期
控 制 理 论 与 应 用
Ｃｏｎ ｒｌ ｔｏ Ｔｈｅ ｙ ａ ｄ Ａｐｐｉ ｔ ｎｓ ｏｒ ｎ ｌ ｉ ｃａ ｏ
基 于 Ｅ ／ Ｔ的飞行控 制律设计及 其稳定性评估 Ｑ Ａ Ｆ
下要求：闭环系统 中有 ｍａ （ ｒ 个特征值可 以任意 ｘｍ，）
１ 引 言
特征结 构配 置 （ Ａ，ｅｇ ｎ ｔｕ ｔ ｒ ｓｉｎ ｎ ） Ｅ ｉｅ ｓｒｃｕ ｅ ａ ｓ ｍｅ ｔ ｇ
可为 系统 提供 满意 的操 作 品质和 良好 的解 耦性 能 ，所 设 计的控制器具有结 构简单、易于工程实现等优点 ，然 而这 种方 法基 于精 确数 学模 型 ， 实 际系 统总 存在 不确 定性 。定量反馈理 论（ Ｔ， ｑ ａ ｔｔ ｔ ｅ ｅ ｄ ａ ｋ ＱＦ ｕ ｎ ｉａ ｉ ｆｅ ｂ ｃ ｖ
基于QFT的PID控制器设计
ｏ ｒ （ ｕｎｉ ｔ ｅｆ ｄ ａ ｋｔｅ ｒ）ｉ ｐｏ ｏｅ ｉ ｐ ｐｒ ｏ ｅｉｅｌ ａａｌ Ｉ ｔｅｅｐｉ ｔ ｎＱ ｒ ｑ ａ ｔａｉ ｅ ｂ ｃ ｏ ｔｖ ｅ ｈ ｙ ｓ ｒｐ ｓｄｉ ｔ ｓ ａ ｅ．Ｆｒｔ ａ ｐ ｒｌ ｌ Ｄ， ｈ ｘ ｌ ｉ ｎｈ ｈ ｄ ｅＰ ｃ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｆ ｒｔ ｅ ｐ ａ ｔ ｎ ｅ ｔｉ ｔ ｎ ｉ ｈ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒｔ ｓｒ ｃ ： ｏ ｈ ｌｎｔｗｉｈ ｕ ｃ ｒａ ｎ ｙ ａ ｄ ｈ ｇ ｏ ｌｎ ａ ｙ，ａ ｍｅ ｈ ｄ ｏ ｅ ｉｎ Ｐ Ｄ ｏ ｔｏｌ ｒｂａ ｅ ｉ ｔ ｏ ｆｄ ｓｇ Ｉ ｃ ｎ ｒ ｌｅ ｓ ｄ
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第 １ ０卷
第 ４期
电 机 与 控 制 学 报
ＥＬＥＣＴＲＩ ＭＡＣＨＩ Ｃ ＮＥＳ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ
Ｖｏ．１ Ｎｏ ４ １ ０ ．
２０ ０ ６年 ７月
Ｊ ｌ ０ ６ ｙ ２ ０
基 于 ＱＦ 的 Ｐ Ｄ 控 制 器 设 计 Ｔ Ｉ
ＰＤ控 制具 有 良好 的 响应 特性 ， Ｉ 而控 制 结构得 到 了 简化 。
关键词 ： 量反馈 理论 ；ＰＤ；飞行 器控 制 定 Ｉ
中 图分 类 号 ： ２ ９ １ Ｖ ４ ． 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ７ ４９ ２ ０ ） ４ ４ ２ ０ １０ — ４ Ｘ（ ０ ６ ０ —０ ０ — ５
水下滑翔机QFT鲁棒控制器设计
水下滑翔机QFT鲁棒控制器设计随着科技的不断发展，水下滑翔机以其卓越的海洋探测功能受到了越来越多的关注。
在水下滑翔机的设计中，鲁棒控制器是提高其控制性能的重要组成部分。
本文将以水下滑翔机的QFT鲁棒控制为研究对象，探究其控制器的设计方法及应用。
一、QFT鲁棒控制理论QFT（Quantitative Feedback Theory）鲁棒控制法是广义频域分析法的一种特例，是一种可以解决复杂动态系统控制问题的鲁棒控制理论。
QFT方法对于一些复杂的控制系统，特别是非线性时变系统具有很好的适用性。
QFT控制的核心思想是通过将系统原来的传递函数作为频率响应函数的逼近式，将控制器的设计问题转化为逼近函数的问题。
在QFT方法的基础上，可以添加鲁棒控制器以保证系统的稳定性和性能。
二、水下滑翔机控制器的设计方案针对水下滑翔机的控制问题，可以采用QFT鲁棒控制器进行设计。
具体的设计方案如下：1.模型建立首先，需要建立水下滑翔机的数学模型。
在建立模型的过程中需考虑水流对滑翔机的影响，并考虑包括初始状态、外部干扰等多种因素的影响。
建立准确的水下滑翔机数学模型对于控制器的设计至关重要。
2.性能指标的确定在控制器设计之前，需要对水下滑翔机的性能指标进行明确。
包括位置、速度、姿态等多个方面的指标都需要被考虑到。
3.频域分析在进行频域分析时，需要采用一些基础的QFT方法，如推导出水下滑翔机控制函数的引理等。
通过频域分析，可以获得控制器的合理设计要求和有效的设计指导。
4.控制器的设计QFT鲁棒控制器的设计流程可以分为以下几个环节：（1）确定系统性能指标和控制要求。
（2）筛选控制器种类，采用一般类控制器或者带有额外器件的控制器。
（3）根据鲁棒性能需要，选择控制器的鲁棒单元类型。
（4）对控制器各个参数进行优化设计及参数调整。
（5）根据控制器参数，进行动态特性分析，得到系统的性能曲线。
5.仿真验证完成控制器的设计后，需要进行仿真验证以评估控制器的性能。
基于DSP的光电稳定平台伺服控制系统设计的开题报告
基于DSP的光电稳定平台伺服控制系统设计的开题报告一、项目背景光电稳定平台是光学系统中基本的光学机械平台。
光电稳定平台是物体跟踪、导航、控制等功能的必备设备。
由于光学系统工作环境复杂，需要对光学系统进行高精度的稳定控制。
因此光电稳定平台控制系统需要具有高精度、高稳定性、高可靠性等特点。
基于DSP的控制技术具有高处理速度、高精度的特点，可以满足光电稳定平台伺服控制系统的需求。
此外，DSP的结构紧凑、功耗低、适用于嵌入式系统等特点，也使其成为控制系统设计的理想选择。
二、项目内容本课题的主要内容是基于DSP的光电稳定平台伺服控制系统的设计。
系统涉及的技术内容包括：机械结构设计、电路设计、程序设计、系统测试等。
具体包括以下几个方面：1. 基于光电稳定平台机械结构设计，并确定驱动、传感器等硬件设备。
2. 设计控制电路，实现伺服电机控制，包括电机驱动电路、信号处理电路、传感器信号采集电路等。
3. 编写控制程序，实现伺服电机控制，并对控制器进行调试和优化。
4. 对系统进行实验测试，包括基本功能测试、性能测试等，确保设计的系统满足设计要求。
5. 编写系统测试报告，分析系统实验结果，提出改进方案。
三、项目意义随着时代的发展和科技的进步，光学系统在军事、医疗、通信、环保等领域得到了广泛的应用，光电稳定平台作为光学系统中不可或缺的组成部分，对其的精准控制尤为重要。
因此，本设计的光电稳定平台伺服控制系统，可以满足光学系统的精准控制要求。
此外，设计中采用的DSP技术具有高精度、高速度、可靠性高等特点，对于DSP技术的研究和应用有很大的推动作用。
四、项目进度安排1. 第一阶段（前期准备）：了解相关技术知识和理论基础，研究本设计中所需硬件和软件设备的选型和购买。
2. 第二阶段（系统设计）：完成系统框架设计、控制电路设计、控制程序实现、机械结构设计等；3. 第三阶段（系统测试）：进行基本功能测试、性能测试等，优化系统控制。
4. 第四阶段（论文编写）：编写毕业设计论文及演示资料。
QFT飞行控制系统设计
QFT 飞行控制系统设计4.1 引言在飞控系统中，被控对象（如直升机等）往往是非常复杂的多输入多输出系统，具体表现为非线性、时变、高度耦合、高阶、不稳定、模型不确定性等。
因此，这对设计一个覆盖整个飞行包线的控制器带来相当大的难度。
目前，国内外设计全包线控制器一般有以下几种方法： 增益调度（gain scheduling ）、非线性动态逆（Non-Linear Dynamic Inversion ）、定量反馈理论（QFT ）、自适应控制（AC ）等。
其中，国内外大多数采用增益调度方法。
本章将介绍一种工程上较为容易实现的强鲁棒控制理论—定量反馈理论（QFT ）。
重点介绍了MIMO 系统设计QFT 控制器的原理和一般步骤。
4.2 MIMO 系统的QFT 控制器设计概述定量反馈理论（QFT ）是以色列人Horowitz 教授提出的一种强鲁棒控制理论，它针对当对象具有不确定性和存在干扰的情况下，如何利用反馈信息设计出满足一定要求的控制系统这一问题而提出的。
QFT 的最初发展首先研究具有不确定性的线性时不变单输入单输出系统（LTI/SISO ），如图4.1所示。
其中，P 为不确定控制对象，r 为指令输入，y 为系统输出，1d 和2d 分别表示输入干扰和输出干扰,G 和F 为要设计的控制器和前置滤波器。
随着QFT 的理论研究的深入，进一步推广到多输入多输出、非最小相位/不稳定、时变及非线性等系统。
LTI/SISO 系统是QFT 研究的基础，而其他的MIMO 系统等都可以通过数学变化转化为等效的LTI/SISO 系统，再进行设计。
y图4.1 SISO 系统的QFT 控制框图MIMO 系统QFT 研究的重点就是如何有效地将原控制系统转化成一组等效的MISO 系统，从而可以运用相对成熟的SISO 系统QFT 设计分析，这也是MIMO 系统QFT 设计相比较与SISO 系统设计的最大特点。
图4.2给出了两输入两输出系统的等效过程。
光电控制系统的设计与优化
光电控制系统的设计与优化随着科技的发展和工业自动化的普及，光电控制系统已成为现代工业生产中不可或缺的重要环节。
它利用光学技术和控制技术实现对工业装备的自动化控制和监测，广泛应用于制造业、能源、交通、医疗等领域。
本文将介绍光电控制系统的基本原理、设计方法和优化技术，以期为相关研究提供参考和借鉴。
一、光电控制系统的基本原理光电控制系统是一种利用光信号传输和控制的自动化控制系统，它由光信号发送端、传输介质和光信号接收端三部分组成。
在工业生产中，光电控制系统主要通过光电传感器、光电开关等探测设备来实现对物体的自动检测和控制。
当传感器接收到光信号后，将信号转成电信号并传输到控制器，控制器根据接收到的信号控制执行机构完成对设备的控制操作。
光电控制系统具有灵敏度高、反应速度快、干扰小、使用寿命长等特点，可以满足工业生产自动化控制的需求。
同时，光电控制系统还可以与其他控制系统和自动化系统集成，在不同场合和领域中发挥作用。
二、光电控制系统的设计方法1.系统需求分析在设计光电控制系统前，首先需要对系统的需求进行分析和确认。
包括对于控制操作的要求、工作条件及环境因素的考虑、系统可靠性、易维护性等方面进行详细的分析和确认。
2.硬件设计硬件设计是光电控制系统设计的重要环节。
在硬件设计中需要考虑硬件设备的选型、电路的设计、接口的设计等方面。
在选定合适的硬件设备后，需要进行相应的电路设计，包括放大电路、滤波电路、控制电路等电路的设计。
3.软件设计光电控制系统的软件设计主要是设计控制程序，程序中需要包括对于输入信号的处理、数据的处理、控制流程的控制等内容。
软件设计的关键在于对于系统需求的充分理解和程序设计的合理性。
三、光电控制系统的优化技术1.系统性能优化在光电控制系统中，系统的性能是关键问题之一。
在设计系统时需要考虑系统响应时间、控制精度、抗干扰能力等因素。
有关的优化技术包括系统动态响应分析、控制参数调整、滤波算法的优化等。
光电稳定跟踪装置的控制系统设计_张智永
摘要 : 给出了一类光电稳定跟踪装置的框架伺 服控制方案 , 重点研究 了速率稳定 环的设计 过程 , 使用 dSPA CE 半实物 仿 真系统进行了速率回路开环特性的模型辨识和高阶滞后超前 控制器设计 , 对于 数字化频率 特性测试时 产生的 相位滞 后 现象进行了理论推导 , 并提出了相位补偿公式。对于经典控制器 可能遇到的精度不足的问题 , 介绍了相应 的非线性补 偿 方法。针对伺服系统的位置跟踪环和速度稳定环在频域存在的 耦合现象 , 深入分 析了产生频 域耦合的 原因和 相应的 解 耦设计方法 , 提出了此类系统位置跟踪环和速度稳定环 的理想设计模型。在此基础上讨论了姿态干扰隔离度 的概念 , 推 导了隔离度的计算公式。对系统工作过程中可能遇到的 5 种典型 情况进行 了仿真试验 , 仿真 结果验证 了有关 概念的 正 确性。 关 键 词 : 光电稳定跟踪装置 ; 伺服系统 ; 位置跟踪 ; 陀螺稳定 ; 隔离度 文献标识码 : A 中图分类号 : V 241. 5
2
2. 1
EOST D 单回路伺服系统设计
EOSTD 伺服系统的设计过程 速率稳定回路的设计是光电稳定跟踪伺服装
[3 - 9]
置设计的重点, 由于在Fra bibliotek率稳定回路中, 陀螺
既作为普通的测速元件 , 又作为载体耦合到平台 的惯性空间角速率敏感元件, 因而回路的设计必 须从跟随指令输入 , 克服摩擦等干扰力矩和隔离 载体耦合扰动三个方面考虑。
速率, Xb 表示姿态干扰耦合到平台输出轴的角速 率, K f 表示陀螺增益 ( 因为陀螺带宽比回路带宽 宽, 等效为比例环节 , 考虑 Xf 和 Xo 单位统计的关 系, 一般将 K f 化为 1) , G V ( s) 和 G O ( s ) 分别表示 速率校正器和电机传函, K V S 表示指令放大系数, K P WM 表示 P WM 放大系数 , ud 表示干扰力矩。摩 擦力矩对输出转速的影响由于反电势的存在可以 等效为对电枢电压的扰动 ud 。 由图 1 可以得出输出角速度相对于 Xi 、 载体 耦合运动角速度 Xb 和扰动 u d 的传递函数为 : Xo = K V S K PWM G V ( s) G O ( s) Xi + 1+ K VS K PW M K f G V ( s) G O ( s) G O ( s) ud + 1+ K VS K PW M K f G V ( s) G O ( s) K VS K PW M K f G V ( s) G O ( s) Xb , 1+ K VS K PW M K f G V ( s) G O ( s) 式中 , GO ( s ) = ( 1)
光电稳定滑模变结构控制系统的设计与仿真
基于QFT的光电稳定控制系统设计与分析
文章编号:100222082(2009)0320377205基于Q FT 的光电稳定控制系统设计与分析姜世洲1,洪华杰1,2,纪 明1,王惠林1(1.西安应用光学研究所,陕西西安710065;2.国防科技大学,湖南长沙410073)摘 要:为了克服模型摄动和各种扰动对机载光电稳瞄系统的影响,提出一种基于定量反馈控制理论(Q FT )的光电稳定控制系统设计方法。
该方法以方位回路作为讨论对象,基准模型参数值均为方位回路参数值,通过综合考虑被控对象的模型不确定范围(不确定范围取为基准值的±15%)和系统的性能指标,可实现一定范围模型摄动系统的强鲁棒性。
在加入模拟幅值为0.06的力矩扰动作用下,设计系统的输出位置误差小于2×10-7rad ,加入速度扰动,以国外某典型直升机角振动测试频谱作为速度扰动信号,设计系统位置误差限制在8×10-7rad 内。
仿真结果表明:设计的控制系统总体性能优于经典P I D 设计的系统。
关键词:定量反馈理论(Q FT );光电稳定系统;鲁棒性;力矩扰动;速度扰动中图分类号:TN 202;TH 703 文献标志码:AD esign and ana lysis of stab il ized a i m i ng con trol system ba sed on QFTJ I AN G Sh i 2zhou 1,HON G H ua 2jie 1,2,J IM ing 1,W AN G H u i 2lin1(1.X i ’an Institute of A pp lied Op tics ,X i ’an 710065,Ch ina ;2.N ati onal U niversity of D efense T echno logy ,Changsha 410073,Ch ina )Abstract :A design m ethod of an airbo rne stab ilized 2ai m ing system based on quan titativefeedback theo ry (Q FT )w as p ropo sed to overcom e the influence of m odel pertu rbati on and distu rbances on the system .T he m ethod takes the azi m u th loop as the discu ssi on ob ject and the m odel param eters as the p aram eter values of the azi m u th loop .T he strong robu stness of the m odel p ertu rbati on system can be ob tained in a certain range by the com po site con siderati on to the m odel ’s uncertain ty range of the ob ject con tro l and system perfo r m ance sp ecificati on .T he si m u lati on resu lts indicate the perfo r m ances of the designed con tro l system are better than the P I D system ’s .Key words :quan titative feedback theo ry ;stab ilized ai m ing system ;robu stness ;m om en tdistu rbance ;velocity distu rbance引言机载稳瞄平台是一个融合了电视、红外、激光等多传感器、高精度光电跟踪瞄准系统,可以实现对目标的昼夜跟踪、瞄准、武器制导以及导航等任务。
一种稳定的光子变频控制系统设计
DAI Fengyu
渊The 34th Research Institute of CETC, Guilin Guangxi 541004, China 冤
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Abstract: In recent years, photon frequency conversion technology has become a research hotspot that breaks through the key performance indicators of microwave signal frequency conversion. However, the inherent working state of photon frequency conversion is not stable, which makes the technology difficult to be applied. A photon frequency conversion control system for a single electro-optic external modulator is designed, which is specially used to realize the fast, accurate and micro disturbance regression after the best photon frequency conversion working point drifts. The system takes advantage of the comprehensive advantages of hardware and software, extracts the micro variable parameters of the photon frequency conversion working point by the calculus algorithm, and returns the drift working point to the best frequency conversion working point quickly and with micro disturbance by the proportion algorithm of control variables. Key words: microwave photonics; the best frequency conversion point; control system; photon frequency conversion
稳定可靠控制系统设计和优化
稳定可靠控制系统设计和优化现代生产制造的过程中，控制系统设计和优化显得特别重要，因为这关系到产品质量和生产效率。
一个稳定可靠的控制系统可以用来控制和监测整个生产过程，确保设备的正常运转，避免因为控制系统的实施错误而对生产过程带来不良影响。
因此，稳定可靠控制系统设计和优化是现代生产制造中不可缺少的要素。
一、控制系统设计的基本原则在控制系统设计中，首先需要考虑的是设计基本原则。
基本原则可以简单地概括为“设计统一、标准化、模块化，管理集中、智能化、信息化”。
具体来说，设计要符合系统集成的原则，控制内部的各个模块的交互，减少不必要的干扰，尽可能地利用现有技术和资源，实现稳定的性能。
标准化是基于工业自动化的应用的必要性考虑的，标准化设计能够提高系统的可维护性和可扩展性。
模块化可以降低大型系统的复杂性，便于了解系统的结构和运作。
管理集中是基于管理需求而来的，层次化的管理可以降低维护成本和人力成本，同时也可以提高控制系统的可靠性、可扩展性和可移植性。
智能化与信息化是现代控制系统设计的趋势，智能化控制技术的不断发展，使得控制系统在规划和应用方面可以比以前更快速、更精确、更高效地处理所处的环境。
二、优化控制系统设计的方法优化控制系统设计需要考虑的因素有三个：系统性能、控制质量和设计成本。
在这些因素的基础上，我们可以使用一些方法来优化设计，如充分利用软件、硬件的资源，采用分层控制、预测控制、自适应控制、强化学习等技术。
1. 充分利用软件、硬件资源根据现有的控制需要和要求，设计师需要先评估硬件和软件资源，根据评估结果确定实际控制过程的系统配置，避免浪费生产资料、时间和成本。
特别是现在很多控制系统的硬件和软件资源都是经过精心设计和开发的，尽可能地利用现有的硬件和软件技术，可以显著降低系统设计成本和时间，提高系统的可靠性和性能。
2. 分层控制分层控制是一种将控制系统的结构分成多个层次，分别处理大量的控制任务。
这种控制方法可以更好地反映控制层次结构，使得控制结构变得统一，透明和易于控制。
光电稳定跟踪装置的控制系统设计
光电稳定跟踪装置的控制系统设计
光电稳定跟踪装置的控制系统设计
摘要：给出了一类光电稳定跟踪装置的框架伺服控制方案,重点研究了速率稳定环的设计过程,使用dSPACE半实物仿真系统进行了速率回路开环特性的模型辨识和高阶滞后超前控制器设计,对于数字化频率特性测试时产生的相位滞后现象进行了理论推导,并提出了相位补偿公式.对于经典控制器可能遇到的精度不足的问题,介绍了相应的非线性补偿方法.针对伺服系统的位置跟踪环和速度稳定环在频域存在的.耦合现象,深入分析了产生频域耦合的原因和相应的解耦设计方法,提出了此类系统位置跟踪环和速度稳定环的理想设计模型.在此基础上讨论了姿态干扰隔离度的概念,推导了隔离度的计算公式.对系统工作过程中可能遇到的5种典型情况进行了仿真试验,仿真结果验证了有关概念的正确性. 作者：张智永范大鹏范世珣 Author： ZHANG Zhi-yong FAN Da-peng FAN Shi-xun 作者单位：国防科技大学,机电工程与自动化学院,湖南,长沙,410073 期刊：光学精密工程ISTICEIPKU Journal：OPTICS AND PRECISION ENGINEERING 年，卷(期)： 2006, 14(4) 分类号：V241.5 关键词：光电稳定跟踪装置伺服系统位置跟踪陀螺稳定隔离度机标分类号： TN9 V51 机标关键词：光电稳定跟踪装置控制系统设计速度稳定环位置跟踪半实物仿真系统系统工作过程频率特性测试控制器设计隔离度相位滞后推导速率伺服系统设计模型设计方法频域耦合现象模型辨识控制方案基金项目：国防预研基金。
光电稳定伺服机构的关键测控问题研究
光电稳定伺服机构的关键测控问题研究近年来，随着光电子技术的不断发展，光电稳定伺服机构在各种精密控制系统中的应用越来越广泛。
光电稳定伺服机构通过光电子传感器和稳定控制器的配合，能够实现对光学、机械等各种参数的精确控制，具有精度高、响应速度快等特点。
光电稳定伺服机构在实际应用中仍然会面临一些关键的测控问题，这些问题的解决对于提高光电稳定伺服机构的性能至关重要。
本文将对光电稳定伺服机构的关键测控问题进行深入研究，并提出相应的解决方案。
一、传感器误差校正光电稳定伺服机构的性能受到传感器的精度和稳定性的影响。
传感器往往存在非线性、温漂、零漂等问题，导致传感器输出的信号与实际值之间存在误差。
传感器误差校正是关键的测控问题之一。
为解决传感器误差校正问题，可以采用多种方法。
一种常见的方法是通过建立数学模型，对传感器输出信号进行修正。
另一种方法是利用校准装置对传感器进行实时校准，以提高传感器的精度和稳定性。
还可以采用自适应滤波算法、多传感器融合等技术，降低传感器误差对系统性能的影响。
二、控制器设计与优化光电稳定伺服机构的控制器设计与优化是关键的测控问题之一。
控制器的性能直接影响了系统的响应速度、稳定性和精度。
传统的PID控制器在某些应用场合表现不佳，因此需要设计更为高效的控制器。
针对控制器设计与优化问题，可以采用模糊控制、神经网络控制、自适应控制等先进的控制算法。
这些算法能够适应系统的非线性特性，提高系统的稳定性和鲁棒性。
还可以采用参数整定、鲁棒性设计等方法对控制器进行优化，以实现更好的动态性能和静态精度。
三、系统建模与辨识系统建模与辨识是光电稳定伺服机构的关键测控问题之一。
准确的系统模型能够为控制器设计和优化提供重要参考，而系统辨识则是获取系统模型的重要手段。
针对系统建模与辨识的问题，可以利用系统辨识理论和方法，通过实验数据对系统进行建模与辨识。
还可以利用系统辨识结果对控制器进行参数整定和优化。
还可以利用现代系统辨识技术，如基于深度学习的系统辨识方法，提高系统模型的精度和适应性。
光电稳定伺服机构的关键测控问题研究
光电稳定伺服机构的关键测控问题研究1. 引言1.1 引言在光电稳定伺服机构的研究中，测控问题一直是一个重要的研究方向。
随着技术的不断发展，研究者们对光电稳定伺服机构的测控问题进行了深入的分析和研究，取得了一系列重要的研究成果。
本文将从光电稳定伺服机构的构成、关键测控问题分析、性能优化研究、应用案例研究以及前沿技术探讨等方面展开讨论，希望通过这些内容的探讨，可以对光电稳定伺服机构的研究有一个更深入的了解，并为未来的研究方向提供一定的参考和启发。
1.2 研究背景光电稳定伺服机构在实际应用中往往会遇到一些关键的测控问题，限制了其性能表现和应用范围。
这些问题包括但不限于传感器误差、控制算法精度、系统稳定性等方面的挑战。
对光电稳定伺服机构的关键测控问题展开深入研究，具有重要的理论意义和实践价值。
为了更好地应对当前光电稳定伺服机构面临的挑战和问题，本文将对其构成要素、性能优化方法以及应用案例等方面展开探讨，旨在为进一步提升光电稳定伺服机构的性能表现和应用效果提供理论支持和技术指导。
【研究背景】结束。
1.3 研究意义光电稳定伺服机构的研究可以为提高精密控制系统的性能和稳定性提供重要技术支持。
通过深入分析和解决光电稳定伺服机构中存在的关键测控问题，可以有效优化其控制算法和结构设计，提高系统的动态响应性和抗干扰能力，从而更好地满足不同工程领域对精密控制的需求。
研究光电稳定伺服机构的关键测控问题还可以推动相关技术的发展和创新。
随着科技的不断进步和应用领域的不断拓展，对于精密控制系统的要求也越来越高。
通过对光电稳定伺服机构进行深入研究，可以促进相关领域的技术创新，推动精密机械控制领域的发展。
2. 正文2.1 光电稳定伺服机构的构成光电稳定伺服机构是一种能够实现高精度稳定控制的机构，由光电传感器、控制电路和执行机构组成。
光电传感器用于感知外部环境的光照强度和角度信息，控制电路则根据传感器的反馈信号进行数据处理和控制指令输出，最终驱动执行机构实现相应的运动和稳定控制。
光电性能调控体系常规框架优化方法总结
光电性能调控体系常规框架优化方法总结近年来，光电性能调控体系的研究成为了光电领域的热点之一。
光电性能调控体系的优化是提高光电器件效率和性能的关键所在。
本文将总结光电性能调控体系常规框架优化的方法。
首先，光电性能调控体系的常规框架包括光源、光电器件和光学系统等组成部分。
不同的光电器件和光学系统对光源的要求不同，因此优化光源是优化整个光电性能调控体系的关键环节之一。
在光源的优化上，首先可以考虑光源的光谱特性。
不同光源的光谱特性不同，选择合适的光源可以提高光电器件的效率和性能。
目前，常用的光源包括白光LED、激光二极管等。
白光LED具有宽光谱、高亮度和长寿命等优点，适用于照明和显示等领域；激光二极管具有高亮度、小尺寸和高调制频率等优点，适用于通信和显示等领域。
因此，在选择光源时需根据具体的应用场景和要求进行合理选择。
其次，光电器件是光电性能调控体系的核心组成部分。
在光电器件的优化上，可以考虑以下几个方面。
首先，光电器件的材料选择是关键。
选择具有高吸光度、高导电性和高电子迁移率等性能的材料，能够提高光电器件的效率和性能。
近年来，钙钛矿太阳能电池和有机光电器件等新型光电器件由于其优良的光电性能而备受关注。
其次，光电器件的结构设计也是优化光电性能的重要手段。
通过优化光电器件的结构，可以提高光电器件的光吸收率、载流子迁移率和电荷注入效率等性能。
例如，在有机光电器件中，采用多层结构和界面调控技术可以增强电荷传输和光电流的效果。
最后，光学系统是光电性能调控体系中的另一个重要组成部分。
在光学系统的优化上，可以考虑以下几个方面。
首先，光学元件的选择和布局是优化光学系统的关键。
选择适合的透镜、反射镜和光栅等光学元件，并优化其布局，能够提高光的聚焦效果、光的传输效率和光的控制精度等性能。
其次，光学系统的光路设计也很重要。
通过合理设计光学系统的光路，可以减小光的损耗和散射，提高光的传输效率和光束的稳定性。
总之，光电性能调控体系常规框架的优化方法包括光源的选择和调节、光电器件的材料选择和结构设计以及光学系统的光学元件选择和布局等。
光电稳定伺服机构的关键测控问题研究
光电稳定伺服机构的关键测控问题研究光电稳定伺服机构是一种集光电控制和稳定伺服技术于一体的新型机构，广泛应用于航天器、卫星、激光通信等领域。
在实际应用中，光电稳定伺服机构的性能受到诸多测控问题的影响，因此对其关键的测控问题进行研究具有重要意义。
本文将从光电稳定伺服机构的原理与结构、关键测控问题及解决方案等方面进行深入分析，旨在为光电稳定伺服机构的研究与应用提供参考。
一、光电稳定伺服机构的原理与结构光电稳定伺服机构是一种基于光电控制技术和伺服控制技术的复合型机构。
其原理是通过光电控制系统捕捉外部信号，并通过伺服控制系统实现机构的稳定。
光电稳定伺服机构通常由光电传感器、伺服电机、控制器和机械结构等部分组成。
光电传感器是光电稳定伺服机构的核心部件，其主要作用是获取外部环境的姿态信息，如姿态角、姿态速率等。
光电传感器的精度和稳定性对整个机构的性能影响较大。
伺服电机是光电稳定伺服机构的执行机构，其通过对机械结构的驱动实现姿态的调整，保持机构的稳定。
伺服电机的动态响应特性对机构的控制精度和灵敏度有重要影响。
机械结构是光电稳定伺服机构的载体，其设计和制造质量对机构的稳定性和可靠性具有重要影响。
良好的机械结构应具有高刚度、低惯性和良好的耐久性。
1. 光电传感器精度与稳定性问题光电传感器的精度与稳定性是影响光电稳定伺服机构性能的重要因素。
由于光电传感器在不同环境条件下的性能表现可能存在差异，因此需要针对光电传感器的精度和稳定性进行深入研究，探索有效的校准和补偿方法。
2. 伺服电机动态响应特性问题伺服电机的动态响应特性对光电稳定伺服机构的控制精度和灵敏度具有重要影响。
在实际应用中，伺服电机可能受到载荷变化、摩擦力变化等因素的影响，影响其动态响应特性，因此需要研究有效的伺服电机控制策略，提高其动态响应能力。
3. 控制器性能与稳定性问题控制器的性能与稳定性对光电稳定伺服机构的整体控制性能有重要影响。
在实际应用中，由于环境因素、噪声干扰等因素可能影响控制器的稳定性，因此需要研究有效的控制器设计和优化方法，提高其稳定性和抗干扰能力。
光电控制系统的设计分析
光电控制系统的设计分析摘要摘要随着数字控制和数字通信技术的发展，光电控制器，传感器越来越广泛的应用于科技，教育，国防，环保等领域。
特别是近年来随着纳米技术，计算机控制技术和光机电一体化技术的突飞猛进，带动了光电控制领域的进步。
可以说，光电控制已经成为国民经济中不可或缺的前沿科技。
本文从光电控制技术出发，详细阐述了系统的结构特点和物理原理，较为深入的探究了相关领域的实际应用，并对该行业在未来能源和环保领域的发展做出了展望。
相信随着技术的进步，光电控制必将以其低碳节能，高效运转，易于控制的优点更好的服务人民，造福社会。
关键词：光电控制位置检测电机驱动可编程控制器光电传感器ABSTRACTABSTRACTWith the digital control and digital communication technology, optical controllers, sensors more and more widely used in science and technology, education, defense, environmental protection and other fields. Especially in recent years with the nano-technology, computer control technology and electromechanical integration and technology, promote progress in the field of photoelectric control. It can be said optical control has become a cutting-edge technology essential to the national economy.This optical control technology from the start, detailed structural features of the system, the physical principle, teamwork and practical application. Believe that as technology advances, photoelectric control is bound to its low-carbon energy, high efficiency operation, the advantages of easy control and better serve the people, for the benefit of the community.Keywords: photoelectric control position detection motor drive PLC photoelectric sensor目录i目录第一章光电控制系统的组成 (1)1.1 光电控制系统概况 (1)1.2 光电控制系统结构 (4)1.3 光电控制系统功能 (7)第二章光电控制传感器 (9)2.1 物体检测传感器 (9)2.2 位置检测传感器 (10)2.3 位移传感器 (11)2.4 光电编码器的工作原理 (12)第三章光电控制器与驱动机构 (15)3.1 可编程控制器（PLC） (16)3.2 电机光电控制系统 (16)3.2.1 电机驱动器 (18)3.2.2 直流电机PWM调速 (19)3.2.3 硬件实现PWM的方法 (19)3.3 控制器与传感器系统组成 (21)第四章西门子光电控制系统概述 (23)4.1 西门子光电传感器 (23)4.1.1光电传感器SIMATIC PXO100 M18S (23)4.1.2.光电传感器SIMATIC PXO200 C40 (24)4.2 西门子逻辑控制器 (24)4.2.1. SIMATIC S7-200 CN系列 (25)4.2.2. SIMATIC S7-300 CN系列 (26)第五章太阳光电跟踪控制系统应用 (27)5.1 太阳光电跟踪控制系统组成 (27)5.1.1 视日运动轨迹跟踪 (28)5.1.2光电跟踪 (28)ii目录5.1.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 (29)5.2 太阳跟踪控制系统的传感器 (30)5.2.1.跟踪控制系统部件选择 (30)5.2.2.传感器原理与跟踪可行性分析 (31)5.2.3 太阳跟踪系统配置与设计 (33)第六章总结 (37)致谢 (39)参考文献 (41)第一章光电控制系统的组成1第一章光电控制系统的组成进入21世纪以来，光电控制技术正在迅速取代常规电气控制技术，从而在动控制、工程监控系统等领域得到广泛的应用。
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文章编号:100222082(2009)0320377205基于Q FT 的光电稳定控制系统设计与分析姜世洲1,洪华杰1,2,纪 明1,王惠林1(1.西安应用光学研究所,陕西西安710065;2.国防科技大学,湖南长沙410073)摘 要:为了克服模型摄动和各种扰动对机载光电稳瞄系统的影响,提出一种基于定量反馈控制理论(Q FT )的光电稳定控制系统设计方法。
该方法以方位回路作为讨论对象,基准模型参数值均为方位回路参数值,通过综合考虑被控对象的模型不确定范围(不确定范围取为基准值的±15%)和系统的性能指标,可实现一定范围模型摄动系统的强鲁棒性。
在加入模拟幅值为0.06的力矩扰动作用下,设计系统的输出位置误差小于2×10-7rad ,加入速度扰动,以国外某典型直升机角振动测试频谱作为速度扰动信号,设计系统位置误差限制在8×10-7rad 内。
仿真结果表明:设计的控制系统总体性能优于经典P I D 设计的系统。
关键词:定量反馈理论(Q FT );光电稳定系统;鲁棒性;力矩扰动;速度扰动中图分类号:TN 202;TH 703 文献标志码:AD esign and ana lysis of stab il ized a i m i ng con trol system ba sed on QFTJ I AN G Sh i 2zhou 1,HON G H ua 2jie 1,2,J IM ing 1,W AN G H u i 2lin1(1.X i ’an Institute of A pp lied Op tics ,X i ’an 710065,Ch ina ;2.N ati onal U niversity of D efense T echno logy ,Changsha 410073,Ch ina )Abstract :A design m ethod of an airbo rne stab ilized 2ai m ing system based on quan titativefeedback theo ry (Q FT )w as p ropo sed to overcom e the influence of m odel pertu rbati on and distu rbances on the system .T he m ethod takes the azi m u th loop as the discu ssi on ob ject and the m odel param eters as the p aram eter values of the azi m u th loop .T he strong robu stness of the m odel p ertu rbati on system can be ob tained in a certain range by the com po site con siderati on to the m odel ’s uncertain ty range of the ob ject con tro l and system perfo r m ance sp ecificati on .T he si m u lati on resu lts indicate the perfo r m ances of the designed con tro l system are better than the P I D system ’s .Key words :quan titative feedback theo ry ;stab ilized ai m ing system ;robu stness ;m om en tdistu rbance ;velocity distu rbance引言机载稳瞄平台是一个融合了电视、红外、激光等多传感器、高精度光电跟踪瞄准系统,可以实现对目标的昼夜跟踪、瞄准、武器制导以及导航等任务。
系统要克服载机的姿态变化、振动和飞行中的风阻力矩等扰动,确保视轴指向惯性空间稳定。
系统精确建模困难,基于经典控制设计理论的伺服控制难以在模型摄动、外界扰动的条件下保持满意的性能。
近年来,学者们分别探索用现代控制理论来实现平台稳定的伺服控制。
文献[1]设计了H ∞控制器,克服了所用模型和实际模型存在力矩耦合差异对系统的影响。
文献[2]设计了变结构控制器,不但改善了系统的调节时间和超调量,还提高了系统的收稿日期:2008211227; 修回日期:2009202213作者简介:姜世洲(1983-),男,湖北武穴人,硕士研究生,主要从事光电稳定与跟踪系统研究。
E 2m ail :sh izhoujiangxa @sina .com第30卷第3期2009年5月 应用光学Journal of A pp lied Op tics V o l .30N o.3M ay 2009鲁棒性。
文献[3]结合遗传算法用模糊控制律设计了系统,取得了良好的控制效果。
LQ G L TR 、基于神经网络的状态观测器等控制方法也纷纷被应用到光电稳定平台控制系统设计中。
定量反馈控制理论(Q FT )是一种频域设计方法[4],它将经典控制理论中的频域控制器设计思想推广应用到对模型不确定性系统的鲁棒控制律设计中。
Q FT 的显著特点是工程实用性强,在工程实际中得到广泛应用,并且取得了非常好的控制效果。
本文以某型机载光电稳瞄系统为研究对象,用Q FT 控制理论进行稳定控制系统设计。
1 光电稳定平台系统原理及模型1.1 系统原理简介机载光电稳瞄系统主要的功能就是保证光电传感器视轴的稳定与跟踪,其核心为惯性稳定平台:以陀螺作为惯性速率反馈元件,敏感平台惯性角速度,经控制器控制给电机运动,以平衡外部的干扰力矩,使平台保持稳定,从而构成闭环角速度稳定控制回路。
1.2 系统数学模型系统稳定控制回路结构如图1所示[527]。
图中C 1为稳定控制器,C 2为电流环控制器,1d 1s +1为陀螺回路滤波,K 2d 2s +2为电流采样回路模型,K 1Ξ2s 2+2ΝΞ0s +Ξ20为陀螺模型,R 为电机电阻,L 为电机电感,J 为转动惯量,b 为机械阻尼,C m 为电机转矩常数,C e 为电机反电动势为电机参数,M d 、Ξd 分别为力矩扰动和速度扰动,Ξ为输出角速度,k P WM 为PWM 驱动放大系数。
图1 稳定回路控制结构F ig .1 Con trol structure of servo loop 为了便于Q FT 控制器设计,需要对模型简化处理。
本文根据电流环闭环频率特性测试结果,将电流环模型简化为一阶模型形式:i 0(s )u 0(s )=0.690.0002786s +1(1)由此确定被控对象P (s )数学模型为Ξ(s )u 0(s )=C(as +1)(J s +b )(2)式中:as +1=0.0002786s +1;C =0.69×C m 。
由于系统模型的不确定主要来自于电机参数、转塔制造和装配、电路器件等带来的误差,因此本文取a 、J 和C 为数值不确定的参数,它们的不确定范围取基准值的±15%。
反馈通道模型由陀螺系数、速率陀螺和陀螺滤波器组成。
速率陀螺可以看成一个二阶振荡环节,陀螺滤波采用的是一个一阶模型。
最终陀螺反馈通道模型为u 1(s )(s )=1d 1s +1×Ξ20s 2+2ΝΞ0s +Ξ20×K 1(3)系统方位和俯仰回路数学模型结构一致,模型参数值有所不同。
本文以方位回路作为讨论对象,基准模型参数值均为方位回路参数值。
2 光电稳定Q FT 控制系统设计笔者用定量反馈控制理论来设计光电稳定控制系统,以两自由度结构作为Q FT 基本控制结构,如图2所示[4,6]。
图2 两自由度Q FT 控制系统结构F ig .2 Structure of two -degree -of -freedo m QFT con trol图2中r 为输入,y 为输出,D 1和D 2为外界扰动,F 和G 分别为前置滤波器和控制器,P 为被控对象,H 为反馈传递函数。
典型的设计主要・873・应用光学 2009,30(3) 姜世洲,等:基于Q FT 的光电稳定控制系统设计与分析包括以下3步[4,6]。
1)计算Q FT边界根据对象模型(不确定的)、标称点和设计性能指标,计算出标称开环传递函数的幅值和相位约束,这一约束就是Q FT的边界。
2)设计控制器和前置滤波器根据边界曲线设计控制器,使得标称开环系统在各个频率点处都满足约束,并且标称闭环稳定。
3)进行设计结果分析设计完控制器和前置滤波器以后,要对整个闭环系统进行性能验证。
2.1 性能指标规范在系统控制器设计之前,通常都会给定一些预期要达到的性能指标。
一般用的比较多的主要是稳定性指标、输入抗干扰、输出抗干扰、跟踪性能指标等。
下面根据稳定平台设计性能要求,设定的设计指标要求包括以下几个方面。
1)稳定性指标L(s,ς)1+L(s,ς)≤M∞>M(4) g=20lg[(M+1) M]Υ=2arcsin(1 2M)(5)式中:L(s,ς)为系统开环传递函数;g和Υ分别为开环幅值裕度和相位裕度;M为设定指标。
本文M值取为1.2,根据公式(5)系统可保证5.26dB以上幅值裕度,49°相位裕度。
2)抗干扰指标输出抗干扰指标为yD2=11+L(jΞ)< ∆s(Ξ) (6)根据系统稳定性要求,∆s(Ξ)为16s(s+200)(s+200)(7)输入抗干扰指标为yD1=P(jΞ)1+L(jΞ)< ∆p(Ξ) (8)根据系统稳定性要求,∆p(Ξ)为35s(0.0002587s+1)(s+200)(s+200)(9)3)跟踪性能指标跟踪性能指标的选择依据为:单位阶跃响应的超调适中(5%以下),调节时间0.02s～0.08s。
要求频域带宽在25H z～40H z内。
由此得到以下性能规范要求:T1(s)<F×P×G(jΞ)1+L(jΞ)<T u(s)(10)T u(s)=111.925×(s+285.7)s2+252.9s+31970T l(s)=39358600(s+714.3)(s+285.7)(s+192.9)(11)G(s)=75(s 0.1+1)(s2 22002+2×0.98s 2200+1)(s2 5102+0.56s 510+1)s(s2*******+2×0.96s 102000+1)(s2 450002+1.6s 45000+1)(12)2.2 Q FT控制器设计根据性能指标,基于M A TLAB Q FT工具箱图形整形界面来设计控制器,如图3所示。