基于Ⅱ型模型的精跟瞄光閉環控制器設計

閆智輝， 劉偉超

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所， 河南鄭州 450015）

0 引言

激光武器系統直接打擊目標現在點，為保證激光光束準確指向目標，通常采用粗、精兩級復合軸跟瞄系統，其中粗跟瞄系統工作在大角度范圍，對目標進行粗跟蹤，并將目標引入精跟瞄系統視場； 精跟瞄系統工作范圍為幾個毫弧度，對視場內的粗跟蹤殘差進一步校正，從而實現微弧度級跟瞄。

快速反射鏡（以下簡稱FSM）是精跟瞄系統中的核心執行單元[1]，本文所采用的是音圈電機驅動的FSM。在無延遲系統中，音圈電機FSM 的控制通常采用位置-速度環控制，速度到位置存在一個積分環節，位置環控制器采用傳統PI 控制器即可； 由于脫靶量存在延時， 為提高跟瞄特性，本文所述精跟瞄系統采用了雙位置環控制，FSM 直接根據光閉環控制器解算的位置指令實現光束的偏轉控制。針對這種雙位置環控制， 本文首先建立了FSM 的控制模型，依據經典控制理論，結合工程經驗，采用Ⅱ型模型設計了光閉環位置控制器， 仿真證明Ⅱ型模型較Ⅰ型模型具有更好的動態品質和穩定精度。

1 FSM 控制模型

FSM 的模型包括動力學模型和電磁模型兩部分，結構示意見圖1，4 只音圈電機作動器以快反鏡X 軸和Y 軸對稱正交分布；柔性鉸鏈支撐在鏡片負載的偏轉中心，通過材料本身的彈性變形提供X、Y 軸偏轉自由度， 并抑制X、Y、Z 軸平移和Z 軸扭轉自由度；音圈電機作動器推拉驅動鏡片負載沿X、Y 軸偏轉； 采用電渦流傳感器實時檢測鏡片負載X、Y 軸差分角度信息。

由圖1 可得FSM 的單軸動力學模型， 見圖2，單軸力矩平衡方程為：

圖1 FSM 結構示意圖Fig.1 Sketch map of FSM structure

圖2 FSM 單軸動力學模型Fig.2 FSM single axis model

由基爾霍夫定理和電機電磁特性， 可推導出式（3）輸出轉矩對輸入電壓的傳遞函數，式中La、Ra、Ki分別為音圈電機電感、 電阻、力/電流系數[2-4]。則由式（1）和式（3）可得出FSM 的控制模型，如圖3 所示，Ke 為音圈電機反電勢系數。

按圖3 所示的FSM 的模型結構進行模型辨識，經辨識，某FSM 的X 軸傳遞函數如式（4），Bode 圖見圖4，其中3dB 帶寬約為430Hz。

圖3 FSM 控制模型Fig.3 FSM control model

圖4 FSM X 軸Bode 圖Fig.4 FSM x-axis Bode diagram

2 Ⅱ型光閉環控制器設計

精跟瞄系統主要包括探測CCD、 圖像處理器、 光閉環控制器、 快速反射鏡。 其中，CCD 實時采集目標圖像， 圖像處理器對目標圖像進行特征提取，解析出相對于視軸的脫靶量，光閉環控制器對脫靶量進行解算，給出FSM 兩維偏轉指令，使視軸趨向于目標。 精跟瞄控制結構如圖5 所示，其中，Z-3為圖像探測和處理等效延遲環節[5]（滯后系數3ms），Gp（s）為光閉環控制器，WFSM-X（s）為FSM 的X 軸傳遞函數。

圖5 精跟瞄控制結構Fig.5 Control structure of fine tracking-pointing system

經典控制理論通過超前-滯后等環節來設計出合理的開環傳遞函數幅頻特性， 從而實現閉環系統所需的穩態和動態性能。 開環傳遞函數幅頻特性一般可定性地劃分為低頻、中頻、高頻段，并且要求相位裕度γ≥40°，幅值裕度GM≥6dB[6]。

圖4 中，WFSM-X（s）帶寬足夠高，而精跟瞄系統主要抑

圖6 精跟瞄開環幅頻特性Fig.6 Open loop amplitude-frequency of fine tracking-pointing system

至此，可得出Ⅱ型Gp（s）的開環幅頻特性主要參數的初始值，在此基礎上進行優化調整，即可獲得較好的閉環控制精度。應，Ⅱ型控制器比Ⅰ型控制器在精度上提高了近7 倍。

圖7 Ⅰ型和Ⅱ型控制器開環Bode 圖Fig.7 Open loop Bode diagram ofⅠandⅡsystem

3 結束語

本文基于Ⅱ型模型結構設計了精跟瞄系統的光閉環控制器，對開環幅頻特性中頻段進行了最佳比例劃分，給出了關鍵參數初始值的計算方法， 仿真結果表明Ⅱ型控制器較Ⅰ型控制器具有更好的動態特性和穩定精度。 經測試， 精跟瞄樣機在外場試驗中對某動態目標實現了精確瞄準，指向精度和仿真結果一致，取得了良好的效果。