零相位誤差跟蹤控制

零相位誤差跟蹤控制的基本原理就是采用預(yù)見控制，利用已知的未來信息設(shè)計(jì)一補(bǔ)償器，使從目標(biāo)輸入到控制輸出的相位在全頻率域內(nèi)為0。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：

其中，

設(shè)控制對象和反饋控制器組成的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

上式中，I表示計(jì)算時(shí)間在內(nèi)的設(shè)備的死區(qū)時(shí)間。

其中，

根據(jù)Tomizuka提出的零相位跟蹤控制器設(shè)計(jì)方法，零相位跟蹤控制器

存在的問題：

由于零相位跟蹤控制是基于零極點(diǎn)對消的辦法來進(jìn)行相位和幅值補(bǔ)償?shù)?，因而對參?shù)變化和擾動(dòng)非常敏感，而且還存在著一定的建模誤差所以，按上述方法設(shè)計(jì)的零相位跟蹤控制器在實(shí)際應(yīng)用中并不能很好地改善跟蹤性能。

文獻(xiàn) 通過參數(shù)在線辨識，在線動(dòng)態(tài)調(diào)整零相位跟蹤控制器的參數(shù)來克服參數(shù)的變化，使零相位跟蹤控制器能與變化的系統(tǒng)保持一致，該方法的缺點(diǎn)在于參數(shù)自適應(yīng)算法復(fù)雜，不易保證實(shí)時(shí)性。

文獻(xiàn) 則從伺服系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)著手，通過魯棒控制器來補(bǔ)償機(jī)械非線性、擾動(dòng)和參數(shù)的變化，使實(shí)際的閉環(huán)系統(tǒng)與名義系統(tǒng)相屙，然后按名義系統(tǒng)設(shè)計(jì)零相位跟蹤控制器，該方案較好地克服了零相位跟蹤控制器的缺點(diǎn)，但是性能優(yōu)良的魯棒控制器卻不易設(shè)計(jì)。2100433B

常規(guī)的反饋控制僅利用了當(dāng)前控制時(shí)刻的信息，當(dāng)目標(biāo)輸入變化時(shí)，會(huì)因控制滯后而產(chǎn)生跟蹤誤差，因而僅利用常規(guī)的反饋控制不能滿足高精度跟蹤的要求。跟蹤誤差如從頻域分析，可以分為由幅值誤差引起的和由相位誤差引起的兩部分。為了減小誤差，可考慮對它們分別進(jìn)行補(bǔ)償。對于前者可以用．放大器進(jìn)行補(bǔ)償，對于后者則可采取零極點(diǎn)對消的辦法來進(jìn)行相位補(bǔ)償，但這種方法只適用于最小相位系統(tǒng)．對于非最小相位系統(tǒng)，接此原則設(shè)計(jì)系統(tǒng)剮會(huì)導(dǎo)致不希望的零極點(diǎn)對消。

為避免這一點(diǎn)，Tomizuka等人在1987年提出了采用預(yù)見控制，利用未來信息使從目標(biāo)輸?shù)娇刂戚敵龅南辔徊钤谌l率域內(nèi)補(bǔ)償?shù)?的設(shè)計(jì)方案，即零相位誤差跟蹤控制(ZPETC) 。1992年舟橋康行、山田學(xué)在 采用兩自由度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)零相位跟蹤控制器，不僅將從目標(biāo)輸入到控制輸出的相位差在壘頻率域內(nèi)補(bǔ)償?shù)?0，而且可謂整控制系統(tǒng)的增益特性。但是他所針對的典型信號中沒有包括正弦信號，在跟蹤正弦信號時(shí)，仍存在幅值誤差，而且其設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜，不便于實(shí)際應(yīng)用。

仿真過程中，固定平臺(tái)Y軸，X和z軸運(yùn)動(dòng)，期望Z軸在X，Z平面上運(yùn)動(dòng)軌跡為

從仿真結(jié)果我們可以看出，模糊CMAC作用力跟蹤阻抗控制器能補(bǔ)償平臺(tái)動(dòng)力學(xué)上的不確定性，基于位置阻抗控制的性能稍微優(yōu)于基于力矩阻抗控制。為了進(jìn)行仿真比較，我們用CMAC代替FCMAC進(jìn)行仿真，固定y軸，X和z軸運(yùn)動(dòng)，期望z軸在x和Z平面上運(yùn)動(dòng)軌跡為

從仿真結(jié)果我們可以看出，F(xiàn)CMAC性能優(yōu)于CMAC，基于位置阻抗控制的性能稍微優(yōu)于基于力矩阻抗控制。另外，由于基于位置的阻抗控制方案無需改變內(nèi)部的控制結(jié)構(gòu)便可使位置控制平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)魯棒性作用力控制。

跟蹤誤差視頻跟蹤器誤差

視頻跟蹤器誤差是純粹的圖像處理自身的誤差，是以判斷圖像像元的最小分辨率來定義的。通常跟蹤器的誤差不大于l/2像素。根據(jù)光電系統(tǒng)所采用的紅外熱像儀或電視攝像機(jī)的視場，可以很方便地估算出對應(yīng)不同視場時(shí)像元數(shù)的尺寸大小。

跟蹤誤差視頻跟蹤器噪聲

視頻跟蹤器的噪聲是信號處理電路造成的，正常情況下，跟蹤器噪聲不大于一個(gè)像素。同理，可根據(jù)光電系統(tǒng)所采用的光電傳感器視場計(jì)算出對應(yīng)不同視場時(shí)像元數(shù)的尺寸大小，從而得到視頻跟蹤器噪聲造成的跟蹤誤差。

跟蹤誤差通信延遲

取差器對目標(biāo)的跟蹤算法以及將誤差以一定的時(shí)間報(bào)告給CPU，這種時(shí)間延遲將影響跟蹤精度。報(bào)告延遲通常小于一幀，即20 ms。

跟蹤誤差穩(wěn)定誤差

造成瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定誤差的主要因素如前所述。跟蹤誤差是和瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定誤差密切相關(guān)的，瞄準(zhǔn)線的晃動(dòng)直接導(dǎo)致跟蹤誤差的形成。

跟蹤誤差跟蹤控制回路誤差

跟蹤控制回路是由視頻取差器，通過對目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)與瞄準(zhǔn)線之間取差作為指令輸入，經(jīng)由跟蹤控制器、濾波器、放大器、驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)等去驅(qū)動(dòng)萬向架和光電傳感器跟蹤目標(biāo)。并通過光電傳感器瞄準(zhǔn)線的位置構(gòu)成閉環(huán)回路。該回路伺服性能的好壞，即穩(wěn)態(tài)誤差的大小和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)等，均和跟蹤誤差密切相關(guān)。

為提高數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的跟蹤性能，從減少伺服進(jìn)給系統(tǒng)頻率特性中幅值上的跟蹤誤差和相位上的滯后誤差兩方面進(jìn)行理論分析和應(yīng)用可行性分析，研究了基于學(xué)習(xí)控制理論的開環(huán)迭代自學(xué)習(xí)、閉環(huán)迭代自學(xué)習(xí)、預(yù)測自學(xué)習(xí)三種控制器和基于零相位跟蹤控制理論的擴(kuò)展頻帶零相位跟蹤控制器。仿真及實(shí)驗(yàn)研究表明，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的基于數(shù)字信號處理器（OSP）運(yùn)動(dòng)控制器中應(yīng)用這些技術(shù)，可以有效地將伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的跟蹤誤差降低90%，大大提高系統(tǒng)的控制精度和性能價(jià)格比。因此，這種具有零跟蹤誤差性能的伺服控制技術(shù)對于減少數(shù)控機(jī)械切削加工存在的跟蹤誤差、提高數(shù)控機(jī)床的加工精度具有相當(dāng)重要的實(shí)驗(yàn)意義。 2100433B