基于DSP的光電搜跟設備伺服機構控制器研究

3 軟件設計

3.1 工作流程

　　DSP控制器編輯軟件采用TI公司的CCS3.3，采用C語(yǔ)言編輯。系統軟件控制流程如圖6所示。

　　(1)初始化

　　初始化包含DSP初始上電、CPLD的上電，其中，DSP在上電后，系統會(huì )將FLASH中的程序讀入到DSP的RAM中，在將程序載入后，DSP會(huì )從RAM的起始位置開(kāi)始執行程序，系統會(huì )配置DSP內部的資源，包括系統時(shí)鐘、GPIO端口、SCI串口、ENCODE的讀入端口、中斷資源配置、輸出端口控制。在初始化的程序中還包括與轉臺相關(guān)控制所需變量的初始化。

　　(2)控制器加載

　　控制器加載包括系統相關(guān)控制參數，如各個(gè)環(huán)路的放大倍數、積分網(wǎng)絡(luò )的參數、微分網(wǎng)絡(luò )的參數等，加載到控制器中，使系統接收到使能信號后進(jìn)入閉環(huán)。

　　(3)系統自檢

　　系統自檢的過(guò)程包括轉臺俯仰軸與方位軸進(jìn)入閉環(huán)控制。系統進(jìn)一步會(huì )以5°/s的速度順時(shí)針?lè )较蜻\動(dòng)，當系統在接收到碼盤(pán)零位的脈沖信號時(shí)，轉臺會(huì )停止在當前位置，并向上位機告知自檢完好。如果DSP發(fā)現在規定的時(shí)間內系統沒(méi)有運動(dòng)，就會(huì )向上位機報錯。

　　(4)各種運動(dòng)

　　通常情況下，運動(dòng)控制器會(huì )提供給使用方各種運動(dòng)方案選擇，如定位定速、速率模式還有掃頻模式、階躍模式等。掃頻模式是用來(lái)測試被控對象的動(dòng)態(tài)特性。

　　(5)控制器卸載

　　控制器卸載的過(guò)程與控制器加載的過(guò)程恰好相反?？刂破髟谛遁d后，轉臺將不再處于閉環(huán)狀態(tài)，如果系統需要閉環(huán)就必須重新進(jìn)行控制器加載。

3.2 伺服機構控制算法設計

　　為滿(mǎn)足伺服機構靜態(tài)及動(dòng)態(tài)指標，控制器需要采用一定的控制算法對伺服機構進(jìn)行閉環(huán)控制。隨著(zhù)計算機性能不斷提升，諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、遺傳算法等智能控制算法在工業(yè)中得到了廣泛應用，其控制精度、收斂速度等方面傳統控制算法具有一定的優(yōu)勢。但在實(shí)時(shí)控制方面，由于算法的復雜性使得實(shí)時(shí)性很難得到保證，而傳統的PID算法以其結構簡(jiǎn)單、易實(shí)現、魯棒性高等優(yōu)點(diǎn)，結合前饋網(wǎng)絡(luò )等經(jīng)典校正網(wǎng)絡(luò )，在電機控制領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用^[2]。

　　數字PID控制算法的計算公式為：

(1)

　　式中k為采樣序號，分別為比例、積分、微分系數。

　　在對被控對象進(jìn)行比例控制時(shí)，實(shí)際上是進(jìn)行偏差控制，比例的參數越大，在同樣的輸入與反饋的偏差下，輸出值就越大，對于系統的糾偏效果就越好，但是如果比例參數超出一定的范圍，系統就會(huì )產(chǎn)生振蕩。在對被控對象進(jìn)行積分控制時(shí)，主要是考慮系統在到達穩態(tài)后，系統會(huì )存在一個(gè)穩態(tài)誤差，積分調機器是通過(guò)將每個(gè)控制誤差進(jìn)行累加，會(huì )隨時(shí)間的增加而增大，且作用的頻帶一般為低頻段，所以也不會(huì )引起系統的振蕩，可以提高系統的精度。在對被控對象進(jìn)行微分控制時(shí)，通過(guò)微分控制器增大系統的阻尼，使階躍響應的超調量下降，調節時(shí)間縮短，且不影響常值穩態(tài)誤差及系統的自然頻率。由于采用微分控制后，允許較高的開(kāi)環(huán)增益，因而在保證一定的動(dòng)態(tài)性能條件下，可以減小穩態(tài)誤差。微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見(jiàn)性，能預見(jiàn)偏差變化的趨勢，能夠提前產(chǎn)生抑制作用，在誤差還沒(méi)有產(chǎn)生之前消除^[3]。圖7是在本設計中采用的PID控制系統原理框圖，系統采用雙閉環(huán)PID控制。外回路是位置環(huán)，控制系統的主回路，可以減小系統的穩態(tài)誤差;內環(huán)為速度環(huán)，控制系統的輔助回路，其主要任務(wù)是抑制干擾，改善系統的動(dòng)態(tài)性能。

4 系統實(shí)現

　　光電搜跟設備及DSP控制器硬件實(shí)物如圖8所示。系統采用模塊化設計，方便調試和系統維修，同時(shí)，充分考慮外場(chǎng)測試時(shí)車(chē)載運輸及惡劣天氣的影響，采用防震、防潮設計，提高系統的可靠性。

　　對光電搜跟設備偏航軸施加頻率為0~15Hz、峰峰值為1°的正弦掃頻信號，控制器將方位軸位置信息上傳至管理計算機。圖9與圖10是方位軸實(shí)際的幅頻與相頻特性圖。從圖中可以看出系統在12Hz時(shí)，幅頻的超調不超過(guò)0.5dB，相頻也低于10°，滿(mǎn)足系統的雙十指標，系統的超調和延時(shí)都很小，具有良好的跟蹤性能。

5 結論

　　本文設計了基于DSP的光電搜跟設備伺服機構控制器，采用TMS320F28346核心控制芯片，配置高性能結構模塊，控制系統結構簡(jiǎn)單，性能可靠。通過(guò)合理優(yōu)化軟件流程，并對控制系統實(shí)施雙回路閉環(huán)控制，使得系統具備良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，并能夠為穩定的跟蹤目標提供足夠的帶寬，系統具有良好的跟蹤性能，為外場(chǎng)動(dòng)態(tài)目標的觀(guān)測和測試提供便捷和保障。

　　參考文獻：

　　[1]馬東璽.光電搜跟系統模式切換特性及控制研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011.

　　[2]閔斌.液壓位置轉臺控制系統的數字校正[J].航天控制,1999(3):51-57.

　　[3]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].2013,北京:科學(xué)出版社,2008.

本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第61頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。