[发明专利]一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法

权利要求书

1.一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法，其特征在于：包括步骤如下：

步骤(1)、在跟踪平台上安装图像传感器，CCD：Charge-Coupled Device，通过动态信号分析仪，DSA：Dynamic Signal Analyzer，对被控对象的位置特性测试，从而获得位置被控对象模型G_p(s)；

步骤(2)、在获取位置被控对象模型G_p(s)的基础上，设计比例-积分-微分(PID：Proportional-Integral-Derivative)控制器C_P(s)，其中比例环节的存在是为了减小系统跟踪误差，积分环节的存在是为了提升系统无静差度；微分环节的存在是为了改善系统动态性能；

步骤(3)、在已设计的PID控制器C_P(s)的基础上加入附加集成模块C_a(s)，构成基于附加集成模块的PID控制器C_m(s)，其中附加集成模块C_a(s)的目的是提升系统的型别至三型，从而提升系统的无静差度；

步骤(3)中对于附加集成模块C_a(s)与基于附加集成模块的PID控制器C_m(s)，表达式如下所示：

上式中，k,a,b分别是C_a(s)中比例环节，两个一阶微分环节的系数，且k_c＝kk_i，从基于附加集成模块的PID控制器C_m(s)表达式可以看出，其在PID控制器C_P(s)的基础上引入了两个积分算子，两个一阶微分环节，一个比例环节，其中，积分环节是为了提升跟踪系统的跟踪精度，但同时也为系统引入了180度的相位滞后，因此使用两个一阶微分环节提升系统相位，使开环稳定裕度不致过低而引起系统不稳定现象；比例环节的存在是为了最后调节开环系统的开环增益；

步骤(4)、针对基于附加集成模块的PID控制器C_m(s)的待定参数，采用多目标寻优算法——非劣排序遗传算法NSGA-II:Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II寻优得出，其中性能指标分别是：系统带宽，系统误差抑制比，稳定裕度区间；

步骤(5)、通过设计基于附加集成模块的PID控制器C_m(s)，将其应用至实际系统中产生电压信号控制电机，实现对目标的跟踪；在与不添加集成模块的PID控制方法对比后，达到了提升跟踪精度的效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法，其特征在于：步骤(1)中采用DSA测量被控对象时，输入信号为正弦扫频电压信号，输出信号为图像传感器的位置信号，从而获得位置被控对象模型G_p(s)；其次需要对实测曲线进行离线辨识，根据曲线走势初步判断其属于典型环节的类型，然后细调典型环节中参数大小。

3.根据权利要求1所述的一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法，其特征在于：步骤(2)中PID控制器表达式如下：

上式中，k_p,k_i,k_d分别是比例、积分、微分环节的系数，T_c是为了使C_P(s)满足因果性的惯性环节系数，s是频域“拉普拉斯”算子。

4.根据权利要求1所述的一种基于附加集成模块的PID目标跟踪控制方法，其特征在于：步骤(4)中，由于系统的性能守恒，而实际系统的各项性能指标有时是互斥的，因此基于带宽，误差抑制比，稳定裕度区间被作为衡量指标用于NSGA-II求解控制器参数，性能指标表达式如下：

其中，J₁,J₂,J₃分别表示带宽、误差抑制比、稳定裕度区间的性能指标，ω_B表示系统闭环Bode图中幅值为-3dB对应的频率点，ω₀和ω_c分别表示系统的初始频率和开环截止频率，|E_m(jω)|是系统频域误差抑制函数在Bode图幅频曲线中幅值的绝对值，且s＝jω；ω_b和ω_a分别表示系统开环Bode图相频曲线中，相位裕度为45度对应的两个频率点，且ω_bω_a；

利用步骤(1)-(5)，即可通过基于附加集成模块的PID控制器完成对目标的跟踪，首先图像传感器检测系统跟踪误差信号，其次误差信号输入位置控制器后得出电压信号，控制电机，从而跟踪平台转动，逐渐减小跟踪误差，完成跟踪任务；最后，通过对比，该控制方法在低中频即目标运动频段的跟踪精度明显优于PID，达到了提升跟踪精度的效果。