CN106054603A - 一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法，针对传统滞后预估方法对参数变化和外部扰动非常敏感，导致控制系统性能下降，该方法设计了一个高带宽的内回路，将被控对象快反镜和外部扰动包围在内回路中，内回路的闭环带宽保证在外回路采样频率的一半以上，对于外回路而言，被控对象近似为一个比例环节。此时参数变化和外部扰动由高带宽的内回路去抑制，然后针对校正后的被控对象设计Smith预估器，能够取得良好的滞后补偿效果，并且减少了预估器对参数变化和外部扰动的敏感程度。

Description

一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法
技术领域
本发明属于过程控制技术领域，具体涉及一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法。
背景技术
在现代过程控制过程中，往往存在由于容积或传输而导致的时延，从而导致系统的鲁棒性、稳定性降低，甚至引起系统的不稳定。在以快反镜为控制对象的控制系统中，由于电视传感器存在几帧的滞后，并且采样频率较低，相对滞后时间较大，导致了系统控制性能下降，控制带宽减小。
为了解决滞后给控制带来的不利影响，国内外提出了多种补偿时滞的控制方法，其中J.M.Smith(1958)提出了一种预估器，能够有效消除回路中时滞环节的影响。但是Smith预估器需要确定被控对象的精确模型，当预估模型与实际真实对象的模型不匹配时，控制效果变差，而且在控制过程中，往往存在参数变化和外部扰动，也会导致预估器的性能下降，影响快反镜的控制带宽。因此，仅仅采用标准的Smith预估器不能满足实际要求，需要考虑改进方法。与其他工业控制对象相比，快反镜的对象特性比较容易获取，可以采用高采样频率的传感器构建一个内回路。内回路闭环后，被控对象在低频部分可以近似为一个比例环节，同时内回路也可以抑制参数变化和外部扰动带来的影响。本发明从控制角度出发，通过设计高带宽的内回路来抑制模型不匹配、参数变化和外部扰动带来的影响，能够使Smith预估器发挥良好的滞后补偿作用，从而提高快反镜的控制带宽。
发明内容
本发明的目的在于：针对传统滞后预估方法对参数变化和外部扰动非常敏感，导致控制系统性能下降，本文从控制角度出发，提出了一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法。设计一个高带宽的内回路，将被控对象快反镜和外部扰动包围在内回路中，此时参数变化和外部扰动由高带宽的内回路去抑制，相对外回路来说，被控对象近似为一个比例环节，然后针对校正后的被控对象设计Smith预估器，此预估器能够取得良好的滞后补偿效果，降低对参数变化和外部扰动的敏感程度。
本发明采用的技术方案为：一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法，其具体步骤如下：
步骤(1)：以高采样频率的传感器建立高带宽的内回路，获得快反镜的频率特性，并基于此设计相应的校正网络，内回路的闭环带宽保证在外回路采样频率的一半以上。
步骤(2)：实现高带宽的内回路后，能够抑制被控对象低频的非线性环节和外部的扰动，因此内回路闭环后，被控对象在低频部分近似为一个比例环节。通过频率测试方法测试外回路传感器的滞后情况，得到滞后的时间常数。
步骤(3)：设计Smith预估器，采用标准预估器设计方式，反馈回一个模拟对象输出以消去真实对象输出，然后加入一个不含时滞的模拟对象输出。
步骤(4)：将预估器引入到控制回路，并重新设计外回路的控制器，达到补偿系统滞后的效果，同时抑制参数变化和扰动对Smith预估器的影响。
其中，步骤(1)中高采样频率的传感器可以是速度传感器，如陀螺；也可以是位置传感器，如圆光栅、电涡流。
其中，步骤(1)中被控对象的特性可以根据经验获取，也可以通过频率特性测试方法获取。
其中，步骤(2)中闭环后的被控对象可以近似为其他典型环节，如惯性环节。
其中，步骤(3)中Smith预估器的设计主要基于对象的特性和系统的时滞，内回路闭环后，被控对象可以是一个比例代替，时滞参数由步骤(2)获得。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)同传统的Smith预估控制技术相比，本发明方法能够抑制参数变化和外部扰动对系统的影响；
(2)相对于改进后的Smith预估控制技术，本发明方法有更好的抑制能力，适应性更强；
(3)相对自适应控制和智能控制技术来说，本发明方法结构简单，应用性更强。
附图说明
图1为内回路设计示意图；
图2为内回路闭环校正特性；
图3为Smith预估原理图；
图4为引入Smith预估后的系统结构；
图5为带预估器控制系统的开环特性；
图6为带预估器控制系统的闭环特性。
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本发明的实施方式。
本发明一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法，具体步骤如下：
步骤(1)：如图1所示，针对被控对象设计一个闭环回路作为内回路，根据获得的被控对象快反镜的频率特性设计相应的校正网络，外回路的电视传感器采样频率较低，也是系统滞后的主要来源，相比外回路传感器，内回路采用的传感器采样频率高，形成的滞后相比较小，同时也能起到抑制扰动的作用。其中，内回路包括：内回路增益、被控对象、内回路滞后单元、内回路控制器，外回路包括：外回路增益、外回路控制器、内回路、外回路滞后单元。扰动信号加在内回路中。
步骤(2)：内回路闭环后，在外回路采样频率范围内，被控对象近似为一个比例环节，如图2所示。通过频率测试方法测试外回路传感器的滞后情况，得到滞后的时间常数。
步骤(3)：设计Smith预估器，预估原理如图3所示，得到的控制系统闭环传递函数为：
Φ ( s ) = Y ( s ) R ( s ) = G c ( s ) G o ( s ) e - τ s 1 + G c ( s ) G m ( s ) - G c ( s ) G m ( s ) e - τ m s + G c ( s ) G o ( s ) e - τ s
其中，Y(s)表示输出，R(s)表示输入，Gc(s)为控制器，G0(s)为被控对象，Gm(s)为预估器模型，e-τs为滞后项，为预估滞后项。
若构建的模型为精确地，即Gm(s)＝Go(s)、τm＝τ，则
Φ ( s ) = Y ( s ) R ( s ) = C c ( s ) G o ( s ) e - τ s 1 + G c ( s ) G o ( s ) - G c ( s ) G o ( s ) e - τ s + G c ( s ) G o ( s ) e - τ s = C c ( s ) G o ( s ) 1 + G c ( s ) G o ( s ) · e - τ s
其中，Y(s)表示输出，R(s)表示输入，Gc(s)为控制器，G0(s)为被控对象，e-τs为滞后项。
步骤(4)：将设计的Smith预估器引入到系统中，如图4所示，然后重新设计外回路的校正器。
设计了一个具体实例：构建预估器Gm(s)＝1，采样频率为50Hz，滞后为2帧，即τm＝0.04s。测试控制系统的特性，得到如下结果：
图5反映的是带预估器控制系统的开环特性，与不带预估器的控制系统相比，开环剪切频率从1.648Hz提高到2.568Hz。
图6反映的是带预估器控制系统的闭环特性，与不带预估器的控制系统相比，闭环带宽也从3.835Hz提高到6.129Hz(-3dB)，并且有效抑制了对象参数变化和扰动对预估器的影响。

Claims (7)

1.一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法，其特征在于：其具体步骤如下：
步骤(1)：以高采样频率的传感器建立高带宽的内回路，获得快反镜的频率特性，并基于此设计相应的校正网络，内回路的闭环带宽保证在外回路采样频率的一半以上；
步骤(2)：实现高带宽的内回路后，能够抑制被控对象低频的非线性环节和外部的扰动，因此内回路闭环后，被控对象在低频部分近似为一个比例环节，通过频率测试方法测试外回路传感器的滞后情况，得到滞后的时间常数；
步骤(3)：设计Smith预估器，采用标准预估器设计方式，反馈回一个模拟对象输出以消去真实对象输出，然后加入一个不含时滞的模拟对象输出；
步骤(4)：将预估器引入到控制回路，并重新设计外回路的控制器，达到补偿系统滞后的效果，同时抑制参数变化和扰动对Smith预估器的影响。
2.根据权利要求1所述的一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法，其特征在于：步骤(1)中高采样频率的传感器可以是速度传感器；也可以是位置传感器。
3.根据权利要求1所述的一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法，其特征在于：速度传感器选择陀螺，位置传感器选择圆光栅或者电涡流。
4.根据权利要求1所述的一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法，其特征在于：步骤(1)中被控对象的特性可以根据经验获取，也可以通过频率特性测试方法获取。
5.根据权利要求1所述的一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法，其特征在于：步骤(2)中闭环后的被控对象可以近似为其他典型环节。
6.根据权利要求1所述的一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法，其特征在于：其他典型环节为惯性环节。
7.根据权利要求1所述的一种提高快反镜控制带宽的滞后预估方法，其特征在于：步骤(3)中Smith预估器的设计主要基于对象的特性和系统的时滞，内回路闭环后，被控对象可以是一个比例代替，时滞参数由步骤(2)获得。
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