CN102426420A

CN102426420A - 一种强鲁棒性的运动载体光电稳定平台控制系统

Info

Publication number: CN102426420A
Application number: CN2011103828119A
Authority: CN
Inventors: 夏运霞; 包启亮; 李志俊; 于伟
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2011-11-27
Filing date: 2011-11-27
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2031-11-27
Also published as: CN102426420B

Abstract

一种强鲁棒性的运动载体光电稳定平台控制系统，系统采用整体稳定方式；设计高带宽的电流环；建立对象数学模型，用动态信号分析仪测试对象频率特性，经拟合得到对象传递函数G_m(s)；根据建立的对象模型，采用两步法设计内模控制器G_imc(s)，通过调节内模控制器G_imc(s)的参数ε使系统获得高的带宽；在内模控制的基础上添加鲁棒控制回路，设计鲁棒控制器G_c2(s)，通过调节鲁棒控制器G_c2(s)的参数λ提高系统的鲁棒性能。本发明不需要额外的传感器，通过控制结构设计对建模误差和载体扰动进行软测量。该方法控制结构简单，参数意义直观明了，便于工程实现，大大提高了光电跟踪稳定平台的稳定精度。

Description

一种强鲁棒性的运动载体光电稳定平台控制系统

技术领域

本发明属于光电跟踪领域，具体的涉及一种强鲁棒性的运动载体上光电跟踪稳定平台控制系统，用于实现提高系统对建模误差和载体扰动的鲁棒性能。

背景技术

针对运动载体上的ATP系统，载体的运动、抖动以及外界环境对载体的干扰等都可以通过轴承摩擦耦合到跟踪平台上造成跟踪瞄准线(LOS)的晃动，引起图像模糊而影响提取目标脱靶量精度，导致跟踪性能下降，因此必须建立稳定分系统，将跟踪传感器的视轴与基座的运动和震动等相隔离，使稳定分系统的负载稳定在固定的惯性空间方向。运动载体上光电稳定平台控制的另一个难点是随着载体的姿态变化，被控对象特性会发生变化，故要求控制系统对模型不确定性有很强的鲁棒性。

如何提高惯性稳定平台的性能，目前大多采用经典的控制技术。一种常用的方法是在系统中添加测速机等能够测量扰动信息的传感器，测量扰动信息并对其进行前馈补偿。该方法能在一定程度上提高系统对扰动的抑制能力，但需要添加额外的传感器且无法改善系统对建模误差的鲁棒性。李嘉全等人在文献《基于速度信号的扰动观测器及在光电稳定平台的应用》(《光学精密工程》，2011，19(5)，pp998-1004)中提出了在闭环控制系统中引入基于速度信号的扰动观测器提高系统的扰动抑制能力，但此方法对扰动的提高有限且不能克服对象的不确定性。

进几年，各种现代控制方法在光电跟踪稳定平台系统中的应用也受到了关注。如：变结构控制、神经网络、模糊控制、模型参考自适应控制等。这些方法均在某些方面能改善系统的性能，但因算法复杂或计算量大或实时性不够高等原因不利于工程实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，在不增加额外传感器的情况下，对建模误差和载体扰动信息进行软测量，并对其进行补偿，使光电跟踪稳定平台系统具有强鲁棒性，从而达到提高稳定平台的稳定精度。

本发明的技术方案：一种强鲁棒性的运动载体光电稳定平台控制系统，提高了系统的鲁棒性。其具体步骤如下：

(1)建立对象模型；

(2)针对高精度转台系统，设计高带宽的电流环反馈回路，以保证电机可以具有足够快的力矩响应；

(3)用动态信号分析仪测试对象频率特性，经matlab拟合得到对象传递函数；

(4)采用低通滤波器对陀螺输出信号进行滤波；

(5)采用两步法设计内模控制器G_imc(s)，内模控制器G_imc(s)中的低通滤波器取为1型滤波器；

(6)在内模控制的基础上添加鲁棒回路，采用两步法设计鲁棒控制器G_c2(s)。当有建模误差存在即G_p(s)＝G_m(s)+δG_p(s)时，其中G_m(s)为建立的对象模型，δG_p(s)为模型误差，通过鲁棒回路，将真实对象G_p(s)改造成与建立的内部模型接近的等效对象G_cp(s)，

G_{cp} (s) = G_{m} (s) + \frac{1}{1 + {KG}_{c 2} (s) G_{p} (s)} δ G_{p} (s),

此时模型误差为

\frac{1}{1 + {KG}_{c 2} (s) G_{p} (s)} δ G_{p} (s) .

当有扰动时，添加鲁棒回路之后，扰动抑制残余量为内模控制的

\frac{1}{1 + {KG}_{c 2} (s) G_{p} (s)};

k为鲁棒稳定回路比例因子，在试验中取为1；

所述步骤(5)中，在噪声容许范围内将内模控制器G_imc(s)的参数ε尽量取小而不用过多考虑系统对建模误差和扰动的鲁棒性，这样可以提高系统的带宽。

所述步骤(6)中，在保证鲁棒回路稳定的前提下G_c2(s)的参数λ越小，比例因子K越大，系统对建模误差和载体扰动的鲁棒性越强。

本发明的技术方案所具有的益处是：

1、相对于扰动前馈控制需要测速机等能够测量扰动信息的传感器，本发明采用对扰动信息的软测量，除了速率陀螺不需要额外的传感器就能提高系统对载体扰动的抑制能力。

2、相对于带扰动观测器的控制方法，本发明在系统中引入了内部模型，并通过鲁棒回路将真实对象改造成与内部模型相同的对象，大大提高了系统对建模误差的鲁棒性。

3、相对于神经网络、模糊自适应控制等现代控制方法，本发明技术简单，对微处理器性能要求较低，便于工程应用。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的控制方法结构图；

图3为本发明的系统控制结构图；

图4为实测被控对象频率特性和拟合被控对象频率特性；

图5为采用本发明方法提高系统对建模误差的鲁棒性；

图6为采用PI控制和采用改进内模控制(RIMC)对扰动的抑制性能对比。

具体实施方式

以下结合附图，说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

下面以如附图1所示的某光电跟踪一维稳定平台为例进行说明。本伺服系统由两台单轴转台构成，位于下面的是扰动台，用于提供扰动角速度，位于上面的是稳定平台，扰动台和稳定平台由各自的力矩电机直接驱动。本系统采用DMM16T采集板+PC104/SPD2C嵌入式系统，采样频率为1000Hz，采用CS-ARS-12速率陀螺。本发明的具体实施步骤如下：

(1)设计电流控制器

其中s是laplace变换算子，在式子中，如果s在分母表示极点，在分子表示零点，电流环闭环带宽大于280Hz，在100Hz的相位滞后小于10°。

(2)对伺服系统进行机理分析，将系统近似建立一个二阶模型

利用动态信号分析仪测试系统开环频率特性，经matlab拟合得到系统开环传递函数

系统开环频率特性实测数据与拟合传递函数如图4所示。

(3)陀螺输出信号经过低通滤波器进行滤波处理，低通滤波器带宽设为150Hz；

(4)设计控制器G_imc(s)。将控制方法中引入的内部模型取为拟合得到的开环传递函数，并对其进行分解G_m(s)＝G_p(s)＝G_m+(s)*G_m-(s)，其中G_m+(s)包含所有时滞和右半平面零点，且G_m+(0)＝1，G_m-(s)是具有最小相位特征的传递函数。设计G_imc(s)＝G_m- ^-1(s)*G_f(s)，低通滤波器n取为G_m(s)中分子分母阶数之差，ε＝0.0015。

(5)设计鲁棒控制回路，K＝1，控制器G_c2(s)＝G_m- ^-1(s)*G_f2(s)，

λ＝0.003。步骤(4)和步骤(5)所述的控制算法设计如图2、所示，图3是本发明控制结构图。

(6)用Matlab仿真本发明对系统建模误差的鲁棒性，其效果如图5所示。对扰动台施加扫频正弦信号，分别采用PI控制方法和改进鲁棒性的内模控制方法控制系统，并分别用动态信号分析仪测得这两种控制方法下稳定平台对扰动得抑制比，如图6所示。图4是用动态信号分析仪实测被控对象频率特性和用Matlab拟合得到被控对象频率特性，图中实线代表实测数据，虚线代表拟合得到的对象；图5是用Matlab仿真得到的本发明对建模误差的鲁棒性，图中实线代表建立的对象模型，虚线代表真实的对象，点线代表经改造过的等效被控对象；图6是控制系统闭环且对扰动台施加扫频正弦信号，用动态信号分析仪测得稳定平台对外界扰动的抑制比，图中实线代表PI控制方法系统对扰动的抑制性能，点划线代表改进鲁棒性内模控制系统对扰动的抑制性能。

Claims

1.一种强鲁棒性的运动载体光电稳定平台控制系统，其特征在于：

(1)系统包括一个提供扰动的摇摆台和一个稳定平台，将陀螺安装在稳定平台上；

(2)针对高精度转台系统，设计高带宽的电流反馈回路，将电机改造成一理想力矩源，保证电机可以具有足够快的力矩响应；

(3)建立对象模型，用动态信号分析仪测试对象的频率特性，经拟合得到对象传递函数，将此传递函数设为控制系统内部模型，所述对象为电机和转台负载；

(4)采用内模控制方法将系统设计为1型系统，采用两步法设计内模控制器G_imc(s)，调节其参数ε，提高系统的带宽；

(5)在内模控制的基础上添加鲁棒回路，采用与内模控制器相同的设计方法设计鲁棒控制器G_c2(s)，调节其参数λ提高系统对建模误差和载体扰动的鲁棒性能，通过添加鲁棒回路之后，将系统对建模误差和对载体扰动的抑制性能提高1+KG_c2(s)G_p(s)倍，其中G_c2(s)是鲁棒回路控制器，K是鲁棒回路比例因子，G_p(s)是被控对象传递函数。

2.根据权利要求1所述的一种强鲁棒性的运动载体光电稳定平台控制系统，其特征在于步骤(4)所述的内模控制器G_imc(s)的设计方法不限于两步法。

3.根据权利要求1所述的一种强鲁棒性的运动载体光电稳定平台控制系统，其特征在于步骤(5)中所述的鲁棒控制器G_c2(s)的设计与内模控制器G_imc(s)的设计相互独立，G_c2(s)的设计是满足系统稳定的任意一种设计方法。

4.根据权利要求1所述的一种强鲁棒性的运动载体光电稳定平台控制系统，其特征在于：基本内模控制方法和加上鲁棒控制回路的改进内模控制方法也适用于非运动载体上的光电跟踪稳定平台控制。