光電跟蹤伺服系統性能受機械結構因素影響的剖析

摘要：為克服機械結構因素對光電跟蹤伺服系統性能的不良影響，分析了機械結構因素對光電跟蹤伺服系統性能的影響。首先概述了光電跟蹤伺服系統，包括系統組成與工作原理、主要性能指標等；接著闡述了光電跟蹤伺服系統性能的必要性，分析機械結構因素，如機械傳動精度的影響、結構剛度的作用、結構諧振的表現及后果、機械質量對系統性能的影響；最后簡述了轉動慣量與伺服系統性能之間的關系，并提出了五點消除或減小機械諧振的措施。

關鍵詞：機械結構因素；光電跟蹤伺服系統性能；改善機械諧振

一、前言

光電跟蹤伺服系統是一種能夠實時跟蹤目標并進行精確控制的控制系統。其基本原理是通過光電傳感器獲取目標的位置信息，然后將這些信息傳輸給伺服電機，使其按照預定的軌跡對目標進行跟蹤和操作。光電跟蹤伺服系統的主要組成部分包括：光電傳感器、數據處理單元、伺服電機和控制器等。隨著科技的不斷發展，光電跟蹤伺服系統在各個領域得到了廣泛的應用，如工業自動化、機器人技術、醫療設備等。光電跟蹤伺服系統是現代工業中不可或缺的設備之一，其性能直接影響到生產效率和產品質量[1]。然而，由于光電跟蹤伺服系統的復雜性，其性能受到多種因素的影響，其中之一便是機械結構因素。本文將詳細分析機械結構對光電跟蹤伺服系統性能的影響。

二、光電跟蹤伺服系統概述

（一）系統組成與工作原理

光電跟蹤伺服系統是一種利用光電傳感器對目標進行跟蹤和測量的系統，廣泛應用于航空航天、軍事國防、天文觀測等領域。該系統主要由光電傳感器、信號處理電路、伺服電機和控制系統等組成。其工作原理是利用光電傳感器對目標進行實時檢測，將目標的位置和運動信息轉化為電信號，經過信號處理后反饋給控制系統，控制系統根據反饋信號調整伺服電機的運動，從而實現對目標的跟蹤和測量。光電跟蹤伺服系統主要由以下幾個部分組成：其一，光學傳感器，負責捕捉目標的光信號，并將光信號轉換為電信號進行處理。其二，信號處理電路，對光學傳感器輸出的電信號進行放大、濾波、整形等處理，得到與目標位置相對應的信號。其三，執行器，根據信號處理電路輸出的指令，驅動執行器進行精確的位置調整。其四，傳感器支架，用于安裝和維護光學傳感器、信號處理電路等部件。其五，控制器，根據預設的控制算法和目標位置信息，產生控制信號并輸出到執行器。其六，電氣連接件，用于連接各個部件，保證系統穩定運行。光電跟蹤伺服系統的工作原理：當目標進入視場范圍時，光學傳感器開始捕捉目標的光信號，光學傳感器將捕捉到的光信號轉換為電信號，并發送給信號處理電路，信號處理電路對接收到的電信號進行處理，得到與目標位置相對應的信號。控制器根據預設的控制算法和目標位置信息，計算出控制信號，并輸出到執行器，執行器根據接收到的控制信號，驅動機械裝置進行精確的位置調整，實現對目標的跟蹤。在跟蹤過程中，控制器根據目標位置信息的反饋，實時調整控制信號，以保證跟蹤精度和穩定性。

（二）主要性能指標

光電跟蹤伺服系統的主要性能指標包括跟蹤精度、跟蹤速度、跟蹤范圍、穩定性、可靠性、噪聲性能等。其中，跟蹤精度是指系統對目標位置的測量精度，通常用角度誤差或距離誤差表示。跟蹤速度是指系統對目標運動的響應速度，通常用角速度或線速度表示。跟蹤范圍是指系統能夠跟蹤的目標范圍。穩定性是指系統在長時間運行過程中保持穩定的能力。系統的可靠性直接關系到其在實際應用中的表現，光電跟蹤伺服系統需要具備高可靠性，以應對各種復雜環境和工況條件下的挑戰。噪聲性能是衡量系統在運行過程中產生的噪聲大小和影響的重要指標，光電跟蹤伺服系統應具備較低的噪聲性能，以減少對周圍環境和設備的干擾。

三、分析光電跟蹤伺服系統性能的必要性

在對光電跟蹤伺服系統性能進行分析時，需要關注執行電機與控制對象之間的機械傳動部分。在這個過程中，假設傳動裝置是絕對剛性的，即忽略其彈性扭轉變形。然而，當控制對象的轉動慣量較大，或者系統跟蹤角加速度較高，同時傳動裝置的剛度也較大的情況下，這種簡化的假設就不再適用。在這種情況下，傳動軸的彈性扭轉變形將成為一個不容忽視的因素，由于這種變形會導致系統傳遞特性中出現較高的諧振峰，進而引發機械諧振。機械諧振會對系統的動態性能產生不利影響，嚴重時甚至可能導致系統不穩定，以及在某些特定諧振頻率下損壞精密的光電傳感器和耦合軸系。機械諧振的形成是由多種因素共同決定的，包括轉動慣量、傳動裝置的材料、結構以及尺寸等。傳動裝置的剛性越差，其諧振頻率就越低。反之，剛性越好，諧振頻率就越高。通常，伺服系統的機械傳動裝置都存在一個或多個諧振頻率。若這些諧振頻率低于系統的帶寬，那么它們將對系統的動態性能產生嚴重影響，導致系統易于損壞[2]。

四、機械結構因素分析

（一）機械傳動精度的影響

機械傳動在機械系統中扮演著至關重要的角色，對于光電跟蹤伺服系統來說，其性能直接受到機械傳動精度的制約。機械傳動精度不僅影響系統的響應速度和穩定性，還直接關系到系統的精確度和可靠性。首先，機械傳動精度直接影響光電跟蹤的準確性。精確的機械傳動能夠確保傳感器與執行機構之間的精確對應和同步，從而保證系統的跟蹤精度。如果機械傳動存在誤差或不穩定，將會導致跟蹤誤差的出現，進而影響系統的性能和精度。其次，機械傳動精度還影響系統的響應速度和穩定性。在高速運轉或高負載情況下，若機械傳動存在摩擦、卡滯或振動等問題，將會導致系統響應速度變慢或穩定性下降，不僅會影響系統的正常運行，還可能對設備的壽命和可靠性造成影響。

（二）結構剛度的作用

足夠的結構剛度能為系統提供堅實的基礎，確保系統在運行過程中保持穩定與精確性，支撐著整個光電跟蹤伺服系統的高效運作。當結構剛度較強時，可以有效地抵抗外界干擾和內部應力，減少系統在跟蹤目標過程中的抖動與偏差，使系統能夠更準確地捕捉目標的位置和運動軌跡，從而提升其跟蹤的精度和可靠性。較高的結構剛度能夠維持系統的機械結構完整性，避免因長期運行或復雜環境下的影響而出現變形或損壞，延長系統的使用壽命。然而，若結構剛度不足，將會引發一系列問題，系統可能會在運行中出現晃動、振動等不穩定現象，直接影響跟蹤的準確性和穩定性，甚至可能導致系統無法正常工作，極大地降低了系統的性能和實用性。

（三）結構諧振的表現及后果

在光電跟蹤伺服系統中，機械結構因素起著至關重要的作用，其中，結構諧振是影響系統性能的關鍵因素之一。結構諧振是指系統在受到外部激勵時，其內部結構產生的共振現象，這種共振現象會以特定的頻率和振幅表現出來，對系統的穩定性和精度產生嚴重影響。結構諧振主要體現在系統在運行過程中出現的異常振動和噪聲，當系統受到外部激勵的頻率接近其固有頻率時，結構會發生強烈的諧振，導致系統出現明顯的振動，該振動不僅會影響系統的穩定性，還會導致系統內部的零部件產生額外的磨損和松動，進一步影響系統的性能和壽命。結構諧振會導致光電跟蹤伺服系統的跟蹤精度和響應速度下降。因為諧振會使系統產生額外的振動和漂移，使得系統無法準確、快速地跟蹤目標。在諧振過程中，系統的振動和漂移會不斷積累，使得系統的控制精度和穩定性逐漸降低。結構諧振還會導致系統內部零部件的松動和磨損。長此以往，這種損壞會逐漸累積，最終導致系統性能的嚴重下降，甚至可能引發安全事故。

（四）機械質量對系統性能的影響

在當今科技高速發展的時代，機械系統已經廣泛應用于各個領域。機械系統的性能直接影響著整個系統的運行效率和穩定性。機械結構作為機械系統的重要組成部分，其質量的好壞對系統性能有著至關重要的影響。首先，機械結構的材料選擇對系統性能有著重要的影響，不同的材料具有不同的物理和力學性能，如強度、硬度、韌性、耐磨性等。在設計機械結構時，需要根據系統的工作環境、使用要求和性能指標等因素來選擇合適的材料。例如，在高溫、高壓、腐蝕性等惡劣環境下工作的機械結構，需要選擇具有耐高溫、耐腐蝕等性能的材料；在高速、高負荷等條件下工作的機械結構，需要選擇具有高強度、高硬度等性能的材料。其次，機械結構的設計對系統性能也有著重要的影響，合理的機械結構設計可以提高系統的工作效率和穩定性，降低故障率和維修成本。在設計機械結構時，需要考慮結構的強度、剛度、穩定性、精度等因素。例如，在設計傳動系統時，需要考慮齒輪的模數、齒數、齒形等因素，以保證傳動的精度和效率；在設計支撐結構時，需要考慮結構的穩定性和剛性，以保證系統的安全性和可靠性。此外，機械結構的制造工藝也會對系統性能產生影響，制造工藝的好壞直接影響著機械結構的質量和性能。在制造機械結構時，需要采用先進的制造技術和工藝，如數控機床加工、精密鑄造、熱處理等，以提高機械結構的精度和性能。還需進行嚴格的質量控制和檢測，以確保機械結構的質量和性能符合要求。

五、轉動慣量與伺服系統性能之間的聯系

轉動慣量對伺服機械結構的轉動部分及其負載（如激光測距儀、紅外跟蹤器、電視跟蹤器等）的合成轉動效果有著重要的影響，它的大小通常用符號JL來表示，是在進行伺服系統設計時的一項重要原始參數。負載轉動慣量不僅與系統的開環截止頻率w、機電時間常數Tm、大角度調轉時間td、低速平穩跟蹤性能和陣風誤差σ2等因素息息相關，還是評估和優化伺服系統性能的關鍵指標之一。

（一）轉動慣量的定義與計算

轉動慣量（I）是描述物體繞某一軸旋轉時所表現出的抵抗改變其旋轉方向能力的物理量。它與物體的質量、形狀和密度等因素有關。轉動慣量的計算公式為：I=m×r2，m為質點的質量，r為質點到旋轉軸的垂直距離。

（二）轉動慣量與伺服系統性能的關系

轉動慣量與伺服系統的性能有著密切的關系，主要體現在動態響應、穩定性、精度等方面。

在光電伺服系統中，動態響應是指該系統在接收到輸入指令或外部干擾后，其輸出量隨時間變化的特性和能力。這一性能對于光電伺服系統的精確控制、穩定性和快速響應至關重要。負載的轉動慣量越大，系統加速和減速過程中所需的扭矩就越大，從而導致系統的動態響應速度變慢，降低系統對復雜工況的適應能力，因此小負載的轉動慣量是提高伺服系統動態響應速度的有效途徑之一。

光電伺服系統的穩定性是指該系統在受到外部干擾或輸入指令變化時，能夠保持其輸出量穩定并準確跟蹤輸入指令的能力。這一性能對于光電伺服系統的精確控制、可靠性和長期運行具有重要意義。如果負載的轉動慣量與電機的轉動慣量不匹配，或者負載的轉動慣量過大，就可能導致系統在運行過程中出現抖動、共振等不穩定現象，對系統穩定性造成影響，因此在設計過程中需充分考慮轉動慣量的影響。

轉動慣量對系統的精度也有影響。轉動慣量大會導致系統響應速度變慢，并且在調速過程中產生更大的波動，降低了定位精度和穩速精度。

六、改善機械諧振的方法

（一）提高固有頻率

機械諧振的產生與系統的固有頻率有關。當系統的固有頻率與外部激勵頻率相等或相近時，就會發生共振現象，導致系統性能下降。因此，選擇合適的材料和結構參數，提高系統的固有頻率，是消除或減小機械諧振的關鍵[3]。機械諧振對光電跟蹤伺服系統的性能具有顯著影響，它可能導致系統在特定頻率下產生劇烈振動，從而降低系統的穩定性和精度。為了消除或減小機械諧振的影響，可以從以下幾個方面采取措施。首先，提高伺服機械結構固有頻率是關鍵措施之一，增加系統的剛度，可以降低共振點，從而避免系統在共振狀態下工作。具體方法包括優化結構設計、選用高強度材料、增加阻尼裝置等。例如，在機械結構設計中，可采用柔性支撐、懸掛式連接等方式，來提高結構的剛度和抗振能力。除了提高固有頻率外，還可以采用其他方法來消除或減小機械諧振的影響，可通過濾波器法、極點配置法等方法對系統進行穩定性分析，從而找出并消除共振點。此外，合理的控制器設計也是關鍵，可引入先進的控制算法，如自適應控制、模糊控制等，來改善系統的動態性能，減小諧振對系統的影響。可以采用輕質、高強度的金屬材料制作伺服系統的結構件，以降低系統的慣性質量。同時，合理設計結構的剛度和阻尼特性，使系統在受到外部激勵時能夠迅速衰減振動能量。

（二）加大機械阻尼

加大機械阻尼是消除或減小機械諧振的有效措施，通過增加機械裝置的阻尼元件，可有效抑制機械部件的振動和變形，從而降低機械諧振對系統性能的影響。此外，優化機械設計、采用高性能材料以及合理布置零件等也是減少機械諧振的有效方法。在具體實施過程中，可以采用以下方法：其一，采用高品質的阻尼材料，優化機械阻尼元件的設計和制造工藝。其二，對機械裝置進行動態分析和仿真，以確定最佳的阻尼參數。其三，在機械裝配過程中，嚴格控制裝配精度和緊固程度，確保阻尼元件能夠充分發揮作用。

（三）采用串聯補償

機械諧振現象更是一個突出的問題，為了有效地消除或減小這種不良影響，其中之一便是采用串聯補償。巧妙地運用串聯補償的方法，可在一定程度上調整系統的機械特性，使其更好地適應實際工作需求，這種方式能夠對機械諧振起到一定的抑制作用，從而優化整個光電跟蹤伺服系統的性能表現。采用串聯補償時，可有針對性地改變系統的頻率響應特性，降低諧振峰值，拓寬系統的帶寬，不僅有助于提高系統的穩定性和響應速度，還能使其在面對各種復雜工況時更加可靠地運行，進而保證光電跟蹤的精確性和準確性。

（四）調整負載/機電轉動慣量比

負載/機電轉動慣量比反映了負載對電機旋轉的慣性負載與電機自身慣性負載之間的關系，是光電伺服系統中一個重要的參數。改善機械諧振，優化光電伺服系統性能也可以采用調整負載/機電轉動慣量比的方法。主要可從減小負載轉動慣量、增加電機慣量、調整齒輪比三方面進行設計。

負載轉動慣量是指負載對象在旋轉時抵抗改變其轉動狀態的性質，即負載越大，需要消耗更多的能量去旋轉。減少負載轉動慣量可采用輕量化設計、使用輕質材料等方法，減少負載的質量，從而降低負載的轉動慣量，同時優化傳動裝置的設計，減少傳動過程中的能量損失和摩擦阻力，提高傳動效率。

電機轉動慣量則是指電機自身的慣性負載，即電機在改變其轉速或轉向時所需克服的慣性阻力。增加電機慣量可通過選擇具有較大轉動慣量的電機、增加飛輪等慣量元件等方法，來改善機械諧振。

齒輪比是伺服電機輸出軸與負載之間通過機械傳動裝置（如齒輪、皮帶等）連接的傳動比，直接關系到伺服電機的輸出特性和運動控制效果。通過提高傳動系統中的齒輪比，可以減小從負載側到電機側的視在慣量。

（五）狀態反饋設計

在伺服系統中，狀態反饋是控制算法中的重要組成部分，合理設計狀態反饋環節，可削弱或消除機械諧振的影響。在狀態反饋回路中引入阻尼元件，如電阻、電容等，可以消耗部分振動能量，從而減小諧振幅度。調整系統開環傳遞函數的特性，如增加開環截止頻率，可以降低諧振峰值。利用自適應控制算法，如LQG控制器等，可以實時調整控制參數，以適應系統參數的變化，從而消除或減小機械諧振的影響。采用補償技術、濾波技術等手段，對系統的非線性進行補償和抑制。例如，在伺服電機軸上安裝可變電阻器或電位器，通過改變電機的電阻值來實現對負載的調節，或者采用光纖光柵、磁柵等傳感器，實現對系統位置、速度等信息的高精度測量和補償[4]。

七、結語

光電跟蹤伺服系統是一種廣泛應用于精確制導、自動控制等領域的關鍵技術。然而，在實際應用中，機械結構因素對系統性能的影響不容忽視。本文探討了機械結構因素如何影響光電跟蹤伺服系統的性能，并提出相應的優化措施，主要從如何消除或減小機械諧振的措施方面進行探討，包括提高伺服機械結構固有頻率、加大機械阻尼、采用串聯補償、調整負載/機電轉動慣量比、采用狀態反饋設計等方面，以期通過上述措施，提高系統的性能，滿足不同應用場景的需求。

參考文獻

[1]李禹希，張劉，陳思桐，等.基于自抗擾算法的光電跟蹤伺服控制方法研究[J].中國光學（中英文），2022，15（03）：562-567.

[2]馬經帥，于洵，劉曉宇，等.高精度光電跟蹤系統中伺服穩定控制算法研究[J].應用光學，2021，42（04）：597-607.

[3]吳晗平.艦用紅外成像跟蹤系統的技術要求與統計分析[J].現代防御技術，1998（04）：48-54

[4]姚行杰.起重機械結構焊接變形的因素及控制分析[J].中國設備工程，2020（19）：150-151.

作者單位：南京模擬技術研究所

責任編輯：王穎振、楊惠娟