CN102621890A - 一种运动载体光电跟踪稳定平台的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种运动载体光电跟踪稳定平台控制方法，该方法采用整体稳定方式；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使系统获得强鲁棒性；在内模控制的基础上添加一并行控制回路，构成双口内模控制，通过对第二个控制口的设计提高系统的低频增益以提高系统的精度。本发明不需要额外的传感器，通过控制算法的改进构成等效复合控制。本发明该方法控制结构简单，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

一种运动载体光电跟踪稳定平台的控制方法

技术领域

本发明属于光电跟踪的技术领域，具体的涉及一种运动载体光电跟踪稳定平台控制方法，用于实现提高系统低频段的增益以提高系统稳定精度。

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难点是既要求系统对输入信号有很强的跟随能力，又要求系统对扰动有很强的抑制能力。

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，构成双速度环控制。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，此方法对扰动抑制能力有所提高但不能提高系统的跟随能力。

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，通过控制算法的改进，由内模控制和经典负反馈控制构成等效复合控制，从而达到提高稳定平台的稳定精度。

本发明解决上述的技术问题采用的技术方案为：一种运动载体光电跟踪稳定平台的控制方法，其具体步骤如下：

步骤(1)建立运动载体光电跟踪稳定平台控制系统，该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；扰动台和稳定平台由各自的力矩电机直接驱动；

步骤(2)针对伺服系统稳定平台，设计高带宽的电流环反馈回路，以保证其力矩电机可以具有足够快的力矩响应；

步骤(3)建立对象模型，所述对象为稳定平台力矩电机和转台负载，开启扰动电机和稳定电机，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；

步骤(4)采用低通滤波器对陀螺输出信号进行滤波；

步骤(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；

步骤(6)在内模控制的基础上添加并行负反馈回路构成双口内模控制，从而整个控制系统控制结构是等效复合控制，通过对第二个控制口的设计提高系统的低频增益，将第二个控制器C₂(s)设计为PI控制器，这样控制系统变为2型系统。

优选的，所述的控制方法可以用于一维稳定平台，也可用于多维稳定平台。

优选的，所述的内模控制方法和双口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。

本发明的技术方案所具有的益处是：

1、本发明相对于常规前馈+反馈的复合控制需要额外的传感器，本发明采用改进控制算法构成等效复合控制，不需要额外的传感器，提高系统的低频增益达到提高系统的精度。

2、本发明相对于常规复合控制，本发明在系统中引入了内部模型，并通过内模控制的局部反馈克服系统对建模误差的影响，提高了系统对建模误差的鲁棒性。

3、本发明相对于神经网络、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为本发明的运动载体光电跟踪稳定平台系统结构示意图；

图2为本发明的运动载体光电跟踪稳定平台控制方法结构图；

图3为本发明的运动载体光电跟踪稳定平台系统控制结构图；

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PI控制和采用双口内模控制(2-port IMC)对输入信号的跟随误差对比；

图6为采用PI控制和采用双口内模控制(2-port IMC)对扰动的抑制性能对比。

图7为采用PI控制和采用双口内模控制(2-port IMC)对4Hz输入信号的时域跟随误差对比。其中(a)为PI对输入跟随误差，(b)为2-port IMC对输入跟随误差，(c)为PI和2-port IMC对输入跟随误差功率谱对比。

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。

下面以如图1所示的某光电跟踪一维稳定平台为例进行说明。本发明的具体实施步骤如下：

步骤(1)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，位于上面的是一维稳定平台，将陀螺安装在稳定平台上；扰动台和一维稳定平台由各自的力矩电机直接驱动。本实施例所述伺服系统采用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。

步骤(2)针对伺服系统稳定平台，设计高带宽的电流环反馈回路，以保证其力矩电机可以具有足够快的力矩响应。

设计电流控制器

s是laplace变化算子，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°。

步骤(3)开启稳定电机和扰动电机，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。

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。

步骤(4)采用低通滤波器对陀螺输出信号进行滤波。

本实施例中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。

步骤(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。在内模控制的基础上添加并行负反馈回路构成双口内模控制。本发明将双口内模控制的第二个控制回路的控制器C₂(s)设计为PI控制器。通过对第二个控制口的适当设计提高系统精度。

设计内模控制器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＝0.003。

设并行负反馈回路控制器C₂(s)，将C₂(s)设计为PI控制器，

步骤(4)和步骤(5)所述的控制算法设计如图2所示。图3是本发明控制机构图。

内模控制系统闭环传递函数为

$Y\left(s\right)=\frac{G_{\mathrm{imc}}\left(s\right)G_p\left(s\right)}{1+G_{\mathrm{imc}}\left(s\right)[G_p\left(s\right)-G_m\left(s\right)]}R\left(s\right)+\frac{1-G_{\mathrm{imc}}\left(s\right)G_m\left(s\right)}{1+G_{\mathrm{imc}}\left(s\right)[G_p\left(s\right)-G_m\left(s\right)]}D\left(s\right),$

双口内模控制的闭环传递函数为

$Y\left(s\right)=\frac{G_{\mathrm{imc}}\left(s\right)G_p\left(s\right)}{1+G_{\mathrm{imc}}\left(s\right)[G_p\left(s\right)-G_m\left(s\right)]+C_2\left(s\right)G_p\left(s\right)}R\left(s\right)+\frac{1-G_{\mathrm{imc}}\left(s\right)G_m\left(s\right)}{1+G_{\mathrm{imc}}\left(s\right)[G_p\left(s\right)-G_m\left(s\right)]+C_2\left(s\right)G_p\left(s\right)}D\left(s\right).$

步骤(6)扰动电机关闭，稳定平台电流环闭环，分别实施PI控制和2-portIMC控制方法，用频率特性分析仪测得稳定平台对输入信号跟随误差频率特性。

用频率特性分析仪测得稳定平台对输入信号跟随误差频率特性如图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2-portIMC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的抑制比，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是扰动电机关闭，稳定平台电流环闭环，分别实施PI控制和2-portIMC控制方法，用频率特性分析仪测得稳定平台对输入信号跟随误差频率特性，图中实线代表PI控制方法结果，点划线代表代表2-portIMC控制结果。

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。

图7是采用PI控制方法和采用2-portIMC方法对单频正弦输入信号的时域跟随误差，输入正弦频率为4Hz，其中图(a)是采用PI控制方法对输入的跟随误差，实线代表输入信号，点画线代表跟随误差，图(b)是采用2-portIMC控制方法对输入的跟随误差，实线代表输入信号，点画线代表跟随误差，图(c)为PI和2-port IMC对输入跟随误差功率谱对比，实线代表PI控制方法，点画线代表2-port IMC方法。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例变化，变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (3)

1.一种运动载体光电跟踪稳定平台的控制方法，其特征在于：其具体步骤如下：

步骤(1)、建立运动载体光电跟踪稳定平台控制系统，该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；扰动台和稳定平台由各自的力矩电机直接驱动；

步骤(2)、针对伺服系统稳定平台，设计高带宽的电流环反馈回路，以保证其力矩电机可以具有足够快的力矩响应；

步骤(3)、建立对象模型，所述对象包括稳定平台电机及其平台负载，开启扰动电机和稳定电机，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；

步骤(4)、采用低通滤波器对陀螺输出信号进行滤波；

步骤(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；

步骤(6)、在内模控制的基础上添加并行负反馈回路构成双口内模控制，从而整个控制系统控制结构是等效复合控制，通过对第二个控制口的设计提高系统的低频增益，将第二个控制器C₂(s)设计为PI控制器，这样控制系统变为2型系统。

2.根据权利要求1所述的一种运动载体光电跟踪稳定平台控制系统，其特征在于：所述的控制方法可以用于一维稳定平台，也可用于多维稳定平台。

3.根据权利要求1所述的一种运动载体光电跟踪稳定平台的控制方法，其特征在于：所述的内模控制方法和双口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。

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