永磁同步电机具有运行平稳、惯量低、效率和功率因数高等优点,有效解决现有光电设备中直流电机的惯量大、需要维护等系列问题。介绍了永磁同步电机的数学模型简化条件,给出了一种基于磁场定向的空间矢量控制原理,推导了空间电压矢量SVPWM的实现算法,最后进行了永磁同步电机的空间矢量控制实验研究。实验结果验证了该算法的可行性,电机伺服系统能够进行无超调的跟踪控制,具有较好的动态性能和较强的鲁棒性。

针对大功率永磁同步电机驱动的光电跟踪转台, 提出了一种基于特征系统实现算法的控制模型辨识方法。首先, 根据永磁同步电机的矢量控制原理, 对白噪声测试系统进行了系统配置; 其次, 采用功率谱密度函数的分析方法对系统的输入和输出数据序列进行了分析, 得到了系统的频率响应函数; 最后, 通过特征系统实现算法对系统的马尔可夫参数进行了辨识, 获得了光电跟踪转台的控制模型。实验结果表明: 采用特征系统实现算法可以精确地辨识出光电跟踪转台的控制模型, 该控制模型能够较好地反映系统的动态特性, 为控制器算法的设计提供了理论依据, 具有较好的实用性。

为了在不增加硬件的条件下改善光电跟踪系统的性能, 提出了仅基于目标角度信息的状态估计方法, 设计了纯角度跟踪滤波器。首先, 分析了带有激光测距仪的红外跟踪系统的工作机理; 针对目标机动性特点, 建立了球坐标系下目标的“当前”机动模型。然后, 针对纯角度跟踪过程中高频图像序列存在复杂噪声干扰的问题, 采用集员估计的方法对目标状态模型进行了补偿和调整, 并在此基础上设计了自适应椭球滤波算法。最后, 以舰载光电跟踪系统对来袭目标的跟踪为例进行了仿真。对比实验结果表明, 对于复杂噪声条件下的强机动目标, 在激光测距仪回波率为50%的情况下, 利用基于自适应椭球滤波算法的纯角度滤波器进行辅助跟踪, 可以实现方位(俯仰)角度估计均方差≤06 mrad的稳定跟踪, 效果显著优于传统滤波方法, 具有良好的工程实用价值。

提出了基于坐标变换的目标跟踪转台初始标定方法, 用于提高车载光电跟踪系统的跟踪精度。首先, 运用坐标变换理论, 建立了转台精标定的数学模型, 求解了转台标定的变换矩阵; 然后, 根据转台标定的实际需要, 通过合理地分析和近似, 推导了一种转台的粗标定方案; 最后, 将粗标定与精标定方法相结合对跟踪转台进行初始标定实验。实验结果表明, 该标定方法提高了初始标定的效率,对大于等于10 km的远距离目标, 精标定之后的转台跟踪误差小于0.1°, 完全满足车载光电跟踪系统的精度要求。该标定方法已在一批车载光电跟踪系统中得到了成功应用。

复合控制是提高光电跟踪系统跟踪精度的一种有效方法，它较好地解决了精度和稳定性之间的矛盾；而等效复合控制是复合控制的另一种实现。为了实现等效复合控制，采用加速度计直接测得加速度信息再通过积分得到的速度作为前馈控制信号。实验对比结果表明，加速度计可以作为等效复合控制的传感器，在实际应用中实现伺服跟踪系统精度的提高，加入等效复合控制的光电跟踪伺服系统的跟踪精度提高至原来的6.67倍。

摩擦非线性造成机载光电跟踪平台伺服系统低速不平稳性，增加了系统的稳态误差。常规PID 控制难以满足光电跟踪平台高精度伺服系统的性能要求。采用一种新的二阶离散系统最速控制函数设计自抗扰控制器，将它作为机载光电跟踪平台伺服系统的位置环控制器。实验结果表明，当系统跟踪幅值为0.5°、频率为0.159 Hz 的正弦输入信号时，在0.5 s 之后，采用自抗扰控制的光电跟踪平台伺服系统的位置跟踪误差小于±(4.1×10-3)°，速度跟踪误差小于±0.024°/s，说明该自抗扰控制器有效地补偿了摩擦非线性，提高了伺服系统的位置和速度跟踪精度。

针对某型精密光电跟踪系统的工作特点,设计了光电跟踪转台的机械结构,在建立其三维模型的基础上,利用有限元分析软件ANSYS 对主要承受载荷的转台框架结构进行了静态特性和动态特性分析。静力分析结果表明,该转台框架满足强度和刚度的要求,能保证转台的精度;同时,其模态分析表明,该转台具有很好的动态特性,不会发生共振。分析结果验证了光电跟踪转台机械结构设计的合理性,也为光电跟踪转台的优化设计提供了重要依据。

针对时滞光电跟踪提出了一种内模PID(IMC-PID)控制器设计与参数整定的解析方法。首先建立了系统的一阶时滞积分(FODI)模型,并用二阶加时滞(SOPDT)模型进行逼近,然后利用一阶Taylor 表达式代替系统模型中的时滞项,导出了控制器参数的整定规则。特别是为了保证系统的鲁棒性,可以根据最大灵敏度解析计算内模PID控制器的可调参数λn。仿真结果表明,与常规方法相比,所提方法不仅提供了较好的设定值跟踪和扰动抑制特性,而且对于系统参数摄动具有更好的鲁棒性。另外,实验结果也证实了该方法能够提高系统跟踪性能和跟踪精度。

为了提高光电跟踪控制系统可靠性和实时性,设计了一种基于FPGA的控制系统。该控制系统以一块FPGA芯片为核心,主要完成传感器信号处理,控制算法实现,脉宽调制方波生成,与上位机通信等任务。采用Xilinx公司的ISE7.0平台进行开发,并用层次化和模块化的方式进行设计。实验结果表明这种设计方法使系统以比较低的成本获得了很高的处理速度,从而提高了系统的性能。

针对光电成像跟踪器信号处理、传输造成的测量时滞和系统模型不确定的特性,设计了一种鲁棒自调整内模控制算法。首先,给出基于相位裕度和幅值裕度的系统控制器参数整定方程。然后,分析得到了模型失配情况下的系统鲁棒稳定条件以及参数的设计准则。最后,引入基于二次型性能指标的优化方法在线自适应调整控制滤波器参数来提高系统的控制性能和鲁棒性。在四轴光电跟踪转台上的实验结果表明,所设计算法可有效地克服光电图像跟踪器测量时滞所造成的跟踪偏差,跟踪精度＜1 mil,保证了成像传感器对目标的快速准确跟踪。