技术领域
[0001] 本
发明涉及光电系统控制技术领域，具体为一种光电系统
伺服控制器生成装置及方法。
背景技术
[0002] 光电系统以高于
微波频率的光波为信息与
能量载体对空中或地面目标进行观测
跟踪，在精密制导、光电对抗、火控瞄准、飞行辅助等领域发挥着重大的作用。随着无人机、战术导弹的发展，对光电系统的动静态性能和输出
精度提出了更高的要求。为使得光电系统能够在机载环境下对空、对地目标精确跟踪瞄准，必须为光电系统配备控制回路驱动环架机构运动改变视轴来实现对机载振动的隔离和对目标的跟瞄。该控制回路的控制性能直接关系到光电系统的动静态特性和输出精度，在光电系统设计中占据重要
位置。
[0003] 目前，光电系统控制回路按照所用元器件的特性主要有两种，模拟控制回路和数字控制回路。模拟控制回路是早期控制方式，因其结构简单，技术成熟，被广泛的应用。但是存在线性功放发热高，控制器调整困难，随着
电子技术的发展，对光电系统控制回路的可靠性、寿命、体积功耗等提出了更高的要求。
[0004] 为克服模拟控制的缺点，一种全数字式的控制回路设计方法被提出。在这种数字控制回路中，控制、校正网络都采用数字化
算法替代并在
微处理器芯片中实现，经
采样得到的测
角信号经过数字控制器运算处理，产生驱动信号采用调节PWM占空比形式输出给功放，驱动环架上的
力矩
电机运动。随着微处理器集成度和运算性能的提高，数字控制回路高精度、抗干扰能力强的优势越来越明显。
[0005] 上述两种光电系统控制回路是目前设计中的两种基本形式。其设计过程相似，都是先分析光电系统环架机构动力学特性，获得数学模型，然后在此
基础上设计回路参数，最后通过参数试凑的调试方式完成回路设计。这种设计方法严重制约了光电系统控制回路技术的发展，其主要体现在：
[0006] 首先，同一批次不同光电系统环架机构之间存在差异，其内部参数有时会差别很大。
[0007] 其次，光电系统环架机构的动力学模型参数对于控制回路设计来说往往是未知的，该模型控制参数通常只能依靠理论建模设计，工程应用中控制参数要依靠经验调试完成。
[0008] 第三，实际使用中，受到光电系统环架机构内部
轴承等器件的磨损以及机械安装配合变化等因素的影响，实际的光电系统环架机构数学模型与理论模型之间总会存在差异，特别是当产品使用一段时间后，这种差异愈加明显。
[0009] 这三点是造成目前光电系统控制器设计技术
瓶颈主要原因，光电系统环架结构的数学模型不明，导致控制回路的设计存在很大的盲目性，回路调试过程繁琐，效率低下，并且难以保证回路的性能，甚至还会影响到光电系统的输出精度。
发明内容
[0010] 本发明旨在解决克服
现有技术的不足，提供一种新型光电系统控制器生成装置及方法。该发明不仅能实现光电系统控制器生成，而且还可以进行光电系统控制系统性能分析测试。
[0011] 为了达到上述目的，本发明采取的方案包括光电系统控制器生成装置与生成方法两个部分。
[0012] 所述一种光电系统伺服控制器生成装置，其特征在于：包括测试组件和处理单元；
[0013] 所述测试组件包括两轴转台和安装在两轴转台上的光电系统环架机构；处理单元包括
数据采集与控制设备、
数据处理工控机、光电系统控制器和控制
电路；
[0014] 数据采集与控制设备通过控制电路对光电系统环架机构进行激励和响应检测，获取激励与响应数据供数据处理工控机处理
[0015] 数据处理工控机通过控制电路从数据采集与控制设备获取激励、响应数据，经系统辨识得到光电系统环架机构动力学模型的准确性估计，并在准确性估计基础上设计控制器参数，将控制器参数下载到光电系统控制器中，通过光电系统控制器控制光电系统环架机构。
[0016] 进一步的优选方案，所述一种光电系统伺服控制器生成装置，其特征在于：控制电路由继电器
开关电路、信号解算及调理电路、放大及驱动电路组成，继电器开关电路分别和信号解算及调理电路、放大及驱动电路连接；信号解算及调理电路输出端和数据采集与控制设备的输入端连接，数据采集与控制设备的输出端和放大及驱动电路输入端连接。
[0017] 进一步的优选方案，所述一种光电系统伺服控制器生成装置，其特征在于：光电系统控制器包括信号解算模
块、
数字信号处理模块和功率放大模块；信号解算模块输出端连接数字
信号处理模块输入端，数字信号处理模块输出端连接功率放大模块输入端；数字信号处理模块和数据处理工控机互联，接收指令及更新的控制器参数。
[0018] 进一步的优选方案，所述一种光电系统伺服控制器生成装置，其特征在于：数据处理工控机与控制电路相连，光电系统环架机构角度
传感器输出端和控制电路的信号解算及调理电路输入端连接，光电系统环架机构力矩电机输入端和控制电路的放大及驱动电路输出端连接。
[0019] 所述一种光电系统伺服控制器生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0020] 步骤1：根据光电系统环架机构动力学模型的机理模型，设计
激励信号并构造模型类；通过对光电系统环架机构上力矩电机施加激励，采集角度传感器响应，获得激励与响应数据；通过AIC准则和FPE准则判定模型阶数，估计模型的参数，再对辨识模型进行残差分析和拟合度检验，验证辨识模型是否有效；
[0021] 步骤2：根据步骤1得到的有效的辨识模型设计控制器参数，通过仿真
软件进行开环幅频特性、开环相频特性、闭环阶跃响应、闭环幅频特性曲线设计仿真分析，使系统具有满足光电系统控制回路
稳定性要求的
相位裕度、幅值裕度；
[0022] 步骤3：操作数据处理工控机将控制器参数下载至光电系统控制器，并测试光电系统控制回路动静态性能，得到满足动静态性能要求的光电系统控制器。
[0023] 有益效果
[0024] 1、光电系统控制器生成系统实现纯数字化，抗干扰能力强，数据操作性高，可有效抑制随机噪声干扰和系统噪声干扰。
[0025] 2、通过辨识实验，采集输入输出数据进行系统辨识，获取其数学模型的准确性估计，为控制回路设计提供可靠依据，并且能在很短的时间内自动生成控制回路，通过仿真方式验证设计结果，提高控制回路的准确性和有效性。
[0026] 3、在该技术中，辨识系统采用AIC准则和FPE准则判定模型阶数，采用最小二乘法进行残差分析和拟合度检验，然后通过实验数据判断辨识模型和真实模型的拟合度，保证辨识模型能够反映对象实际动态特性。
[0027] 4、系统可根据需要选择多种操作模式，可任意设置采集通道、输出通道、采样率和应用对象。可实现多种光电系统控制器的设计、仿真和在线生成。
[0028] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0029] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对
实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0030] 图1是本发明的总体结构示意图。
[0032] 图3是光电系统控制器结构示意图。
[0033] 图4是本发明的光电系统控制器生成流程示意图。
具体实施方式
[0034] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0035] 本发明的技术原理是：通过系统辨识，得到光电系统环架机构动力学数学模型的一个准确性估计，然后在此基础上根据现代
控制论的原理设计一个控制器，最后将控制器参数下载到光电系统控制器中，实现控制器生成。
[0036] 本发明的光电系统控制器生成系统，包括测试组件，处理单元。测试组件包括光电系统环架机构和两轴转台；处理单元包括数据采集与控制设备、数据处理工控机、光电系统控制器和控制电路。数据采集系统获得传感器输出的环架机构角度信息，供数据处理工控机进行数据处理；数据处理工控机负责数据处理和系统工作逻辑处理；两轴转台给整个系统提供测试平台。
[0037] 下面结合附图对本发明各个部分的构造和各部分之间的连接进行详细的说明：
[0038] 在图1中，数据处理工控机101作为中央处理单元，主要承担系统工作逻辑控制、光电系统环架111动力学模型辨识102和光电系统控制器算法设计仿真103及光电系统控制回路性能测试104等任务。数据处理工控机101和控制电路107连接，控制电路107控制系统各个部分的通断。两轴转台110和光电系统环架机构111连接，为光电系统控制器生成系统提供调试平台。数据采集与控制设备106与光电系统控制器105分别与控制电路107互联。角度传感器108和力矩电机109安装在光电系统环架机构111轴系上，与控制电路107连接。光电系统控制器105与数据处理工控机101互联，用于下载控制参数。
[0039] 在图2中，控制电路107由继电器开关电路201、信号解算及调理电路202、放大及驱动电路203组成。继电器开关电路201分别和信号解算及调理电路202、光电系统控制器105、放大及驱动电路203连接。信号解算及调理电路202的输出端和数据采集与控制设备102的输入端连接，数据采集与控制设备106的输出连接放大及驱动电路203的输入端。
[0040] 图3是光电系统控制器105结构示意图，信号解算模块301的输出端连接数字信号处理模块302的输入端，数字信号处理模块302的输出端连接功率放大模块303的输入端；数字信号处理模块302和数据处理工控机101互联，提供控制参数传递通道；数据处理工控机101和控制电路107连接，以控制光电系统控制器105与光电系统环架机构111之间的连接。
[0041] 图4是光电系统控制器生成流程示意图。如图所示，在步骤401中，设计激励信号。根据光电系统环架机构的先验知识在步骤406中进行光电系统环架动力学机理建模，在步骤404中确定模型类，然后在步骤402和步骤403中进行辨识实验，获取输入输出数据，接着在步骤405和步骤407中，根据输入输出数据估计模型参数。在步骤408中进行模型检验判断模型是否合适。如果判断结果是“是”，则处理步骤409、步骤410、步骤411和步骤412；否则返回步骤404开始。
[0042] 下面结合附图对本发明的光电系统控制器生成系统的几个主要功能分别进行说明：
[0043] (一)光电系统环架结构辨识与控制
[0044] 数据处理工控机101通过控制电路107，角度传感器108输出端和信号解算及调理电路202输入端连接，力矩电机109的输入端与放大电路及驱动电路203的输出端连接，信号解算及调理电路202的输出端和数据采集与控制设备106的输入端连接，数据采集与控制设备106的输出端与放大电路及驱动电路203的输入端连接。构成控制回路，为光电系统环架结构111特性辨识与控制提供
硬件平台。
[0045] 根据光电系统环架结构111物理机理的先验知识构造模型类304，依据激励对象特点设计设计激励信号401的幅值和频率成分。依据数据采集与控制设备106施加给力矩电机109的激励信号和采集到信号解算及调理电路202输出的响应信号用于建立数学模型，首先通过AIC准则和FPE准则进行辨识模型定阶305，然后进行模型参数估计407，再对模型进行残差分析与拟合度对比，完成模型检验408，验证模型是否能反映对象真实动态特性，不满足返回重新进行构造模型类404，直至模型检验408通过，获得系统实际动态模型。
[0046] AIC准则:Akaike's Information Criterion信息准则是，使根据输入-输出数据所估计的随机变量的概率分布与其真正概率分布之间的拟合程度的数学期望为最大。
[0047] FPE准则:Final Prediction Error Criterion按残差方差定阶，按照估计误差方差最小来确定模型的阶次。
[0048] (二)控制器设计与仿真
[0049] 根据辨识模型进行光电系统控制器设计仿真103，确保系统具有稳定性的相位裕度、幅值裕度。通过软件仿真系统开环幅频特性、系统开环相频特性、系统闭环阶跃响应、系统闭环幅频特性曲线验证控制器。控制电路107控制数据采集及控制设备106与角度传感器108与力矩电机109连接，数据处理工控机101通过数据采集及控制设备106与光电系统环架机构构成闭环控制回路。驱动两轴转台摇摆，测试控制回路性能。
[0050] (三)光电系统控制器生成
[0051] 当控制性能指标达到要求后，数据处理工控机101下载控制参数至光电系统控制器105中，实现对光电系统控制器105的在线生成。控制电路107切换使光电系统控制器105与角度传感器108和力矩电机109连接，光电系统控制器105检测光电系统环架机构111轴系上角度传感器108，经过控制算法运算，输出控制量至力矩电机109，与光电系统环架机构111构成控制回路。数据处理工控机101操作两轴转台110摇摆，测试光电系统控制回路性能。
[0052] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、
修改、替换和变型。
