CN104266663A

CN104266663A - 一种运动平台光电跟踪系统二级稳定扰动解耦方法

Info

Publication number: CN104266663A
Application number: CN201410507745.7A
Authority: CN
Inventors: 夏运霞; 包启亮; 吴琼雁; 刘子栋; 刘翔; 向春生
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2014-09-28
Filing date: 2014-09-28
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2034-09-28
Also published as: CN104266663B

Abstract

本发明提供一种运动平台光电跟踪系统二级稳定扰动解耦方法，主要用于解耦跟踪机架陀螺信息中的跟踪信号和扰动信号，估计出机架粗稳定剩余扰动量，利用跟踪镜抑制解耦出来的扰动，构成二级稳定，实现高精度视轴稳定。具体涉及到利用内模原理来解耦扰动。跟踪机架用陀螺反馈闭环构成粗稳定，整个粗稳定回路的模型记为将目标角速度同时作为机架粗稳定回路的输入和其模型的输入，二者输出之差df(s)就是粗稳定的残余扰动量。将解耦出来的df(s)前馈控制到跟踪镜就构成了二级稳定。跟踪机架采用陀螺闭环反馈不仅能实现粗稳定，同时可以减小由机架特性变化对的影响，从而保证扰动解耦的精度。本发明简单有效，工程实现容易。

Description

一种运动平台光电跟踪系统二级稳定扰动解耦方法

技术领域

本发明属于惯性稳定控制领域，具体涉及一种运动平台光电跟踪系统二级稳定扰动解耦方法。

背景技术

运动载体上的光电系统视轴会受到载体扰动的影响，因此，必须建立稳定控制分系统，隔离载体扰动，使系统视轴不受扰动的影响。目前常用的惯性稳定控制方案是在跟踪机架上安装惯性速率传感器，机架采用惯性速率传感器反馈闭环。但是由于机架惯性大，机架速度稳定回路带宽低，扰动抑制能力有限；而高精度的惯性传感器体积大、重量大、成本高，不便于安装在快反镜上。因此，利用机架惯性传感器本身的扰动信息前馈控制到快反镜，构成二级稳定是一种有效的方法。对于跟踪系统来说，机架惯性传感器会包含跟踪信息和扰动信息，如何从机架惯性传感器信息中解耦得到粗稳定剩余扰动是二级稳定的关键。一种常用的二级稳定扰动解耦方法是采用高通滤波法，此种方法的优点是简单，但是会造成滤波后剩下的扰动信号低频部分相位超前，从而使得二级稳定有效的扰动抑制频段很窄。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种运动平台光电跟踪系统二级稳定扰动解耦方法，用于解耦机架惯性传感器中粗稳定剩余扰动信息，将解算得到的扰动前馈到快反镜构成二级稳定，以获得高精度的视轴稳定结果。

本发明解决上述技术问题提供的技术方案为：一种运动平台光电跟踪系统二级稳定扰动解耦方法，该方法的步骤如下：

步骤(1)、在跟踪机架方位轴和俯仰轴上分别安装角速率陀螺A、角速率陀螺E，分别敏感机架方位轴和俯仰轴角速度。机架方位轴和俯仰轴分别采用陀螺A、E反馈闭环，构成粗稳定回路。粗稳定回路的闭环特性为：其中：G₁(s)为粗稳定回路闭环特性；C₁(s)为粗稳定回路控制器；P₁(s)+ΔP(s)为真实机架速度特性；P₁(s)为机架速度特性模型；ΔP(s)为机架速度特性模型误差；

步骤(2)、建立粗稳定回路模型将目标角速度作为机架粗稳定回路的输入，同时送给机架粗稳定回路模型将二者输出相减得到df(s)，

df (s) = ω_{out} (s) - {\hat{ω}}_{out} (s) = (G_{1} (s) - {\hat{G}}_{1} (s)) R (s) + \frac{1}{1 + C_{1} (s) (P_{1} (s) + ΔP (s))} d (s) .

其中：df(s)为粗稳定剩余扰动角速度；ω_out(s)为真实机架输出角速度；为机架粗稳定回路模型输出角速度；为机架粗稳定回路模型；R(s)为机架粗稳定回路输入信号；d(s)为外部扰动；由于将跟踪机架陀螺闭环整体特性当作扰动解耦的被控对象，减小了机架自身特性变化对扰动解耦精度的影响，即：

G_{1} (s) - {\hat{G}}_{1} (s) = \frac{C_{1} (s) (P_{1} (s) + ΔP (s))}{1 + C_{1} (s) (P_{1} (s) + ΔP (s))} - \frac{C_{1} (s) P_{1} (s)}{1 + C_{1} (s) P_{1} (s)} \approx \frac{C_{1} (s) ΔP (s)}{1 + C_{1} (s) P_{1} (s)} .

一般设计C₁(s)P₁(s)的值比较大，则因此，

df (s) \approx \frac{d (s)}{1 + C_{1} (s) P_{1} (s)},

即df(s)代表了机架粗稳定剩余扰动量。

步骤(3)、将解耦出来的粗稳定剩余扰动df(s)积分并前馈到跟踪镜位置回路，就构成二级稳定。采本发明扰动解耦方法得到的全系统扰动抑制能力为：即系统的扰动抑制能力为粗稳定扰动抑制加精稳定扰动抑制能力。其中：

G_{2} (s) = \frac{G_{2} (s) P_{2} (s)}{1 + C_{2} (s) P_{2} (s)};

Y(s)为系统视轴位置输出；C₃为二级稳定扰动前馈控制器；G₂(s)为快反镜位置回路闭环特性；C₂(s)为快反镜位置回路控制器；P₂(s)为快反镜位置特性。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明可以实现解耦机架惯性传感器中的跟踪信息和扰动信息，得到机架粗稳定剩余扰动；且由于将机架速度回路整体当作扰动解耦被控对象，减小由于机架自身特性变化对扰动解耦精度的影响；

(2)、本发明算法简单，稳定可靠，工程实现容易。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；其中：1为跟踪机架，2为俯仰轴，3为方位轴，4为陀螺E，5为陀螺A，6为跟踪快反镜，7为精探测器；

图2为本发明控制结构图；图2(a)为采用本发明进行扰动解耦的二级稳定控制结构，图2(b)为图2(a)中机架陀螺速度反馈粗稳定回路的等效结构图；

其中，机架速度回路被控对象特性记为P₁(s)+ΔP(s)；机架速度回路控制器记为C₁(s)；机架速度闭环回路模型记为解耦得到粗稳定剩余扰动记为df(s)；跟踪镜位置回路被控对象特性记为P₂(s)；跟踪镜位置回路控制器记为C₂(s)；扰动前馈控制器记为C₃(s)；目标角速度输入记为R(s)；扰动角速度记为d(s)；系统视轴位置输出记为Y(s)。

图3为采用本发明的二级稳定扰动抑制性能与常规稳定控制扰动抑制性能对比。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式说明本发明，本领域的技术人员可根据本说明书揭示的内容了解本发明的功效及优点。

(1)在跟踪机架方位轴和俯仰轴上分别安装角速率陀螺A、E，敏感机架方位轴和俯仰轴角速度。设机架速度特性传递函数为：设计机架速度环回路控制器C₁(s)为：

C_{1} (s) = \frac{1.142 s + 120.3}{s} .

(2)建立机架速度回路闭环模型设计为：

{\hat{G}}_{1} (s) = \frac{11410}{s^{2} + 96.13 s + 11410} .

将目标角速度同时输入给机架速度回路和得到二者的输出分别为ω_out(s)和由于机架会受到载体扰动的影响，因此机架输出ω_out(s)包含目标跟踪信息和粗稳定剩余扰动信息；而机架速度回路闭环模型是不受外界干扰的，只包含目标跟踪信息。因此就是机架粗稳定剩余的扰动信息。

(3)为了验证本发明的有效性，将解耦得到的df(s)积分得到粗稳定剩余扰动角度前馈控制到跟踪快反镜，设计前馈控制器为：

C_{3} (s) = \frac{0.003979 s^{3} + 1.204 s^{2} + 59.75 s + 2162}{3.542 * 10^{- 5} s^{3} + 0.1181 s^{2} + 98.38 s} .

采用本发明解耦机架陀螺信息中粗稳定剩余扰动信息，并利用跟踪镜进行扰动抑制得到的二级稳定扰动抑制结果如图3所示。从图3可知，粗稳定扰动抑制带宽为12Hz，粗稳定+精稳定的二级稳定扰动抑制带宽为105Hz，且二级稳定在整个抑制带宽内都提高了扰动抑制比。二级稳定扰动抑制结果说明了本发明的有效性。

Claims

1.一种运动平台光电跟踪系统二级稳定扰动解耦方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤(1)、在跟踪机架方位轴和俯仰轴上分别安装角速率陀螺A、角速率陀螺E，分别敏感机架方位轴和俯仰轴角速度，机架方位轴和俯仰轴分别采用角速率陀螺A、角速率陀螺E反馈闭环，构成粗稳定回路，粗稳定回路的闭环特性为：其中：G₁(s)为粗稳定回路闭环特性；C₁(s)为粗稳定回路控制器；P₁(s)+ΔP(s)为真实机架速度特性；P₁(s)为机架速度特性模型；ΔP(s)为机架速度特性模型误差；

df (s) = ω_{out} (s) - {\hat{ω}}_{out} (s) = (G_{1} (s) - {\hat{G}}_{1} (s)) R (s) + \frac{1}{1 + C_{1} (s) (P_{1} (s) + ΔP (s))} d (s),

其中：df(s)为粗稳定剩余扰动角速度；ω_out(s)为真实机架输出角速度；为机架粗稳定回路模型输出角速度；为机架粗稳定回路模型；R(s)为机架粗稳定回路输入信号；d(s)为外部扰动。由于将跟踪机架陀螺闭环整体特性当作扰动解耦的被控对象，减小了机架自身特性变化对扰动解耦精度的影响，即：

G_{1} (s) - {\hat{G}}_{1} (s) = \frac{C_{1} (s) (P_{1} (s) + ΔP (s))}{1 + C_{1} (s) (P_{1} (s) + ΔP (s))} - \frac{C_{1} (s) P_{1} (s)}{1 + C_{1} (s) P_{1} (s)} \approx \frac{C_{1} (s) ΔP (s)}{1 + C_{1} (s) P_{1} (s)};

一般设计C₁(s)P₁(s)的值比较大，则因此df(s)就代表了机架粗稳定剩余扰动量；

步骤(3)、将解耦出来的粗稳定剩余扰动df(s)积分并前馈到跟踪镜位置回路，就构成二级稳定，采用该扰动解耦方法构成的二级稳定全系统扰动抑制能力为：即运动平台光电跟踪系统全系统的扰动抑制能力为粗稳定扰动抑制加精稳定扰动抑制能力，其中，为快反镜位置回路闭环特性；Y(s)为系统视轴位置输出；d(s)为外部扰动角速度；W_vel(s)＝C₁(s)(P₁(s)+ΔP(s))；C₃为二级稳定扰动前馈控制器；C₂(s)为快反镜位置回路控制器；P₂(s)为快反镜位置特性。