CN105911869B - 一种基于干扰观测的快速反射镜扰动抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于干扰观测的快速反射镜扰动抑制方法，包括PID控制器，前馈控制器，干扰观测器以及信号识别与分离装置。其中前馈控制器由比例环节与二阶环节并联组成，用于将影响快速反射镜系统的扰动信号转变为补偿信号并输入系统前向通路中与影响被控制快速反射镜的扰动信号相消。干扰观测器由低通滤波器和被控快速反射镜的标称模型的逆构成，用于估计进入快速反射镜系统中的扰动信号，低通滤波器还起到消除高频测量噪声和抑制外干扰的作用。本发明在经典的PID控制的快速反射镜基础上，利用前馈控制和干扰观测的优点，对系统中的扰动(无论扰动信号是否可测)进行全抑制，可以提高快速反射镜系统的稳态精度。

Description

一种基于干扰观测的快速反射镜扰动抑制方法
技术领域
本发明属于精密机械控制领域，具体涉及一种基于干扰观测的快速反射镜扰动抑制方法。
背景技术
快速反射镜是光学系统中调整光束传播方向的重要部件，由于工作环境的复杂性，快速反射镜系统不可避免的受到各种干扰因素的影响，这些干扰信号会导致系统不能产生精确的输出，甚至是造成输出信号的失真。因此在设计快速反射镜控制系统时应该充分考虑干扰信号对系统性能的影响，使系统对输入的干扰信号具有较强的抑制能力。
作为一种比较成熟的控制方案，PID控制技术在快速反射镜的控制中有着广泛的应用，快速反射镜的控制系统主要是以PID为控制器的反馈控制系统。由于反馈控制是基于误差的控制，这种控制方式是在扰动进入并影响快速反射镜系统后才作用的，造成补偿过程存在一定的延迟，对扰动信号的抑制作用有限。前馈校正是一种开环控制方式去补偿扰动信号的控制方法，采用前馈校正技术可以在不影响反馈控制系统特性的情况下实现对扰动信号的补偿，但是要求扰动信号是可测的，但由于快速反射镜工作环境的复杂性，作用于快速反射镜系统中的很多干扰信号都无法量测。
将快速反射镜受到外部力矩干扰及其本身参数变化造成的实际模型与理论模型的输出差异统统等效到控制的输入端(估计扰动)，并在控制系统中引入等量的补偿，可以实现对干扰的抑制(抑制扰动)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：对于作用于快速反射镜系统的扰动信号，无论其是否可以测量，都可以对其进行抑制。
本发明采用的技术方案为：一种基于干扰观测的快速反射镜扰动抑制方法，该方法步骤如下：
步骤1、在常规PID控制下，作用于快速反射镜的扰动信号会严重影响控制系统的稳态精度，据此设计前馈控制环节，用于补偿扰动信号引起的偏差，从而减小扰动对快速反射镜的影响在初始阶段的误差，系统在出现阶跃扰动时，前馈控制环节就可以补偿这个扰动信号造成的误差信号，
式中，G(s)为被控快速反射镜，GC(s)为PID控制器，GF(s)为前馈校正环节，N(s)为扰动信号，当前馈校正环节GF(s)＝-1/GC(s)时，可以使得在扰动作用下的系统输出为0，实现系统的全补偿，快速反射镜的PID控制器表示为：
式中，kp、ki和kd为PID控制参数，T为滤波器系数；
这样，前馈控制器GF(s)＝-s(Ts+1)/[kpT+kd)s2+(kp+kiT)s+ki]，引入干扰观测器对系统进行进一步的抑制；
步骤2、由于前馈控制环节只能对可量测的扰动信号进行补偿，当作用于快速反射镜的扰动信号不可测量时，前馈控制环节将无法抑制，据此设计干扰观测器对快速反射镜系统中存在的所有扰动信号进行观测，并将观测到的扰动信号反馈到控制系统中，降低扰动引起的系统输出的稳态误差，系统受到随机振动扰动信号作用时，进入系统的扰动将被干扰观测器反馈到系统前向通路中，
式中，ε是偏差信号，d是实际扰动信号，上式说明对于作用快速反射镜的扰动信号是可估的；
步骤3、针对干扰观测器观测到的扰动信号与快速反射镜系统实际扰动之间存在延迟，造成控制系统的输出在初始阶段幅值较大的问题，设计基于干扰观测的复合控制方法，综合前馈校正与干扰观测反馈的优点，降低作用于快速反射镜系统的扰动信号对系统输出的影响，且该扰动信号是否可以测量时均能够降低对系统输出的影响，
根据梅森增益公式：
式中G(s)是被控快速反射镜的传递函数，Gn(s)是快速反射镜名义模型的传递函数，Gc(s)为PID控制器；
当扰动输出为0，有GF(s)＝1-1/Gc(s)，
由上式可以看出在前馈控制的快速反射镜系统中加入干扰观测器后，只需要在前馈环节中增加一个并联比例增益即可起到对加入干扰观测器后的扰动抑制。
其中，所述的干扰观测器，由快速反射镜系统的标称模型和低通滤波器组成，引入低通滤波器是考虑到系统的标称模型的逆在工程上很难实现，通过对干扰观测器的结构做适当的变换，可以使得Q(s)Gn -1(s)成为有理式，便于在工程上实现，同时低通滤波器还可以起到抑制高频噪声的作用。
其中，所述的基于干扰观测的复合控制方法中对作用于系统的外界扰动进行信号识别与分离，将可测量的扰动信号直接接入前馈环节中予以补偿，而将观测得到的外界扰动的混合信号反馈到系统前向通路中，实现对外界扰动的全抑制。
本发明的原理：
在常规PID反馈控制技术下，反馈控制对于扰动的抑制总是滞后的，扰动信号在影响到快速反射镜系统后，控制系统才会对其作出反应。基于反馈控制模型，引入前馈控制方法，前馈控制器将扰动信号引入到前向通路中，并在扰动信号对被控快速反射镜作用之前产生响应补偿信号，用于抵消扰动信号对系统的作用。
采用前馈控制补偿扰动信号对系统输出的影响，是提高系统控制性能的一种有效方法，采用这种方法的前提是扰动信号可以量测，对于不可量测的扰动，前馈控制无法对其进行补偿的。
干扰观测器可观测到快速反射镜系统中存在的扰动信号，实现对扰动信号的全补偿，但这种补偿存在一定的滞后。综合反馈控制、前馈控制以及干扰观测的优缺点，在快速反射镜系统中采用基于干扰观测观测的复合控制方法，提高系统对扰动的抑制能力。
快速反射镜控制系统一般采用经典的PID控制方法，但是由于这种固定参数PID控制器的适应能力较弱，对扰动信号的抑制效果也较差。采用前馈校正装置可有效抑制可量测扰动信号对快速反射镜系统的影响，使扰动信号在对系统产生作用前对其进行补偿。
本发明与现有技术相比优点在于：基于干扰观测的快速反射镜扰动抑制方法结合前馈控制与干扰观测器的优点，弥补了前馈控制只能抑制可量测扰动和干扰观测器观测到的扰动信号与实际信号相比存在延迟的缺点，可以大幅度提高快速反射镜对各种扰动信号的抑制能力，同时提高系统的稳态精度。
附图说明
图1是快速反射镜系统经典PID控制原理图；
图2是前馈控制结构图；
图3是干扰观测器结构图；
图4是基于干扰观测的快速反射镜扰动抑制原理图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
常用的快速反射镜反馈控制模型如图1所示。图中u代表信标信号给定的定位位置，通常是一个常数。d是作用于快速反射镜系统的扰动信号，e是实际光轴位置与给定位置的偏差，可以看到此时扰动信号直接作用于快速反射镜，反馈控制是在偏差信号出现之后才对其进行校正的，有一定的时间延迟，当有扰动作用时，快速反射镜的输出在初始阶段会产生较大的误差，难以满足系统高精度的要求。
快速反射镜的前馈控制结构图如图2所示。前馈环节在可量测扰动信号对系统作用之前对其进行补偿，可以有效的抑制扰动信号对快速反射镜系统的影响。系统在扰动作用下的输出值为：
式中，G(s)为被控快速反射镜，GC(s)为PID控制器，GF(s)为前馈校正环节，N(s)为扰动信号。当前馈校正环节GF(s)＝-1/GC(s)时，可以使得在扰动作用下的系统输出为0，实现系统的全补偿。快速反射镜的PID控制器表示为：
式中，kp、ki和kd为PID控制参数，T为滤波器系数。
这样，前馈控制器GF(s)＝-s(Ts+1)/[kpT+kd)s2+(kp+kiT)s+ki]。由于前馈环节含有高阶环节，在物理上很难实现，因此采用近似的前馈补偿来实现，但是名义模型和实际模型之间是存在误差的，不能完全抑制系统中的扰动，为了克服前馈环节智能补偿部分能力的不足，引入干扰观测器对系统进行进一步的抑制。
干扰观测器的结构图如图3所示。由于被控快速反射镜的精确数学模型无法得到，因此采用快速反射镜的名义模型Gn(s)的逆作为干扰观测器标称模型的传递函数。等效干扰的估计值为：
式中，ε是偏差信号，d是实际扰动信号。上式说明对于作用快速反射镜的扰动信号是可估的。
基于干扰观测的快速反射镜扰动抑制方法如图4所示。当系统中出现扰动信号时，信号识别与分离装置对该信号进行判断，对于可识别的扰动信号直接馈入前馈环节，对于不可识别的信号则经过受控快速反射镜并经过干扰观测器再次馈入系统。根据梅森增益公式：
式中G(s)是被控快速反射镜的传递函数，Gn(s)是快速反射镜名义模型的传递函数，Gc(s)为PID控制器。
当扰动输出为0，有GF(s)＝1-1/Gc(s)。
由上式可以看出在前馈控制的快速反射镜系统中加入干扰观测器后，只需要在前馈环节中增加一个并联比例增益即可起到对加入干扰观测器后的扰动抑制。说明基于干扰观测的快速反射镜抑制方法与原方法相比，不需要额外增加传感器，这可以大大减小系统的复杂度。

Claims (3)

1.一种基于干扰观测的快速反射镜扰动抑制方法，其特征在于：该方法步骤如下：
步骤1、在常规PID控制下，作用于快速反射镜的扰动信号会严重影响控制系统的稳态精度，据此设计前馈控制环节，用于补偿扰动信号引起的偏差，从而减小扰动对快速反射镜的影响在初始阶段的误差，系统在出现阶跃扰动时，前馈控制环节就能够补偿这个扰动信号造成的误差信号，
式中，G(s)为被控快速反射镜，GC(s)为PID控制器，GF(s)为前馈校正环节，N(s)为扰动信号，当前馈校正环节GF(s)＝-1/GC(s)时，可以使得在扰动作用下的系统输出为0，实现系统的全补偿，快速反射镜的PID控制器表示为：
式中，kp、ki和kd为PID控制参数，T为滤波器系数；
这样，前馈控制器GF(s)＝-s(Ts+1)/[kpT+kd)s2+(kp+kiT)s+ki]，引入干扰观测器对系统进行进一步的抑制；
步骤2、由于前馈控制环节只能对可量测的扰动信号进行补偿，当作用于快速反射镜的扰动信号不可测量时，前馈控制环节将无法抑制，据此设计干扰观测器对快速反射镜系统中存在的所有扰动信号进行观测，并将观测到的扰动信号反馈到控制系统中，降低扰动引起的系统输出的稳态误差，系统受到随机振动扰动信号作用时，进入系统的扰动将被干扰观测器反馈到系统前向通路中，
式中，ε是偏差信号，d是实际扰动信号，上式说明对于作用快速反射镜的扰动信号是可估的；
步骤3、针对干扰观测器观测到的扰动信号与快速反射镜系统实际扰动之间存在延迟，造成控制系统的输出在初始阶段幅值较大的问题，设计基于干扰观测的复合控制方法，综合前馈校正与干扰观测反馈的优点，降低作用于快速反射镜系统的扰动信号对系统输出的影响，且该扰动信号是否可以测量时均能够降低对系统输出的影响；
当系统中出现扰动信号时，信号识别与分离装置对该信号进行判断，对于可识别的扰动信号直接馈入前馈环节，对于不可识别的信号则经过受控快速反射镜并经过干扰观测器再次馈入系统；
根据梅森增益公式：
式中G(s)是被控快速反射镜的传递函数，Gn(s)是快速反射镜标称模型的传递函数，GC(s)为PID控制器；
当扰动输出为0，有GF(s)＝1-1/GC(s)，
由上式可以看出在前馈控制的快速反射镜系统中加入干扰观测器后，只需要在前馈环节中增加一个并联比例增益即可起到对加入干扰观测器后的扰动抑制。
2.根据权利要求1所述的基于干扰观测的快速反射镜扰动抑制方法，其特征在于：所述的干扰观测器，由快速反射镜系统的标称模型和低通滤波器组成，引入低通滤波器是考虑到系统的标称模型的逆在工程上很难实现，通过对干扰观测器的结构做适当的变换，使得Q(s)Gn -1(s)成为有理式，便于在工程上实现，同时低通滤波器还可以起到抑制高频噪声的作用。
3.根据权利要求1所述的基于干扰观测的快速反射镜扰动抑制方法，其特征在于：所述的基于干扰观测的复合控制方法中对作用于系统的外界扰动进行信号识别与分离，将可测量的扰动信号直接接入前馈环节中予以补偿，而将观测得到的外界扰动的混合信号反馈到系统前向通路中，实现对外界扰动的全抑制。
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