CN107367934B - 一种基于双扰动观测器的快反镜稳定控制方法 - Google Patents

一种基于双扰动观测器的快反镜稳定控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双扰动观测器的快反镜稳定控制方法，在传统的速度、位置双闭环控制的基础上，利用加速度计和陀螺分别构成扰动观测回路，用以直接对扰动进行双前馈补偿。获取的扰动量是快反镜镜面上的扰动，与扰动传递特性无关。基于加速度测量的扰动观测器的前馈节点在速度控制器给定，这就意味着此处实现的是直接扰动加速度前馈；同时，基于速度测量的扰动观测器的前馈节点在位置控制器给定，也等价于速度前馈。从物理意义角度看，加速度计实现扰动加速度前馈，陀螺实现扰动速度前馈，量纲对等，扰动观测器能精确地观测出扰动速度和加速度来直接补偿，从而这里对前馈控制器的设计要求简单，在工程上很容易实现。

Description

一种基于双扰动观测器的快反镜稳定控制方法
技术领域
本发明属于光电系统跟踪控制领域，具体涉及一种基于双扰动观测器的快反镜稳定控制方法，用于增强系统扰动抑制能力，进一步提升快反镜运动平台的目标跟踪性能。
背景技术
快反镜作为光电跟踪控制系统中精密跟踪子系统的主体单元被广泛应用于航空航天、光通信、大口径望远镜等需要高精度跟瞄的系统中。在运动平台上，例如星载、机载、舰载和车载系统，外部载体的运动会直接传递到快反镜的镜面上，导致系统跟瞄精度的降低，破坏系统整体性能。在星地间激光通信中，快反镜用于抑制星体自身由地球引力带来的抖动，其对基座扰动的抑制能力直接决定了通信的成败。在控制方法上，传统的提高快反镜平台扰动抑制能力的方法主要依靠陀螺和CCD实现双回路稳定，陀螺用于敏感惯性空间的速度，有力地提高了快反镜的扰动抑制能力。文献《Inertial sensor-based multi-loopcontrol of fast steering mirror for line of sight stabilization》(OpticalEngineering，Vol(55)，2016)利用加速度计、陀螺和CCD实现三环稳定，进一步提高快反镜稳定能力。但是，由于CCD的低采样率、延时特性和传感器数据噪声，当系统在经受不确定的外部扰动时，其扰动抑制能力依旧存在不足。因此，需进一步考虑提升快反镜稳定平台的扰动抑制能力的控制方法。
发明内容
针对当前快反镜扰动抑制控制存在的不足，本发明的目的是提供一种基于双扰动观测器的快反镜稳定控制方法，主要是用于提升系统的扰动隔离性能。本方法的核心思想是在传统的速度、位置双闭环控制的基础上，利用加速度计和陀螺分别构成扰动观测回路，用以直接对扰动进行双前馈补偿。扰动观测器的控制方法是依靠模型来观测扰动，因此这里需要测试辨识快反镜系统的加速度对象特性和速度对象特性。基于加速度测量的扰动观测器的前馈节点在速度控制器给定，这就意味着此处实现的是直接扰动加速度前馈；同时，基于速度测量的扰动观测器的前馈节点在位置控制器给定，也等价于速度前馈。从物理意义角度看，加速度计实现扰动加速度前馈，陀螺实现扰动速度前馈，量纲对等，扰动观测器能精确地观测出扰动速度和加速度来直接补偿，从而这里对前馈控制器的设计要求简单，在工程上很容易实现。相比于传统的基于扰动测量的补偿方法而言，这里获取的扰动量是快反镜镜面上的扰动，与扰动传递特性无关。加速度计和陀螺传感器的带宽本身较高，有利于获取高精度的被控对象模型，从而提高扰动观测带宽和精度。
为实现本发明的目的，本发明提供一种基于双扰动观测器的快反镜稳定控制方法，其具体实施步骤如下：
步骤(1)：在快反镜跟踪控制系统镜托的背面或侧面安装加速度计和陀螺两种惯性传感器，用以测量快反镜镜面的偏转角加速度和角速度。两种惯性传感器的采样频率一般较高，用以实现一个高带宽线性内环，为外环提供一个线性被控对象，同时也为扰动观测器的实现提供一个高精度的理论对象模型；
步骤(2)：通过频率响应测试仪分别对平台的加速度、速度频率对象特性进行测试，输入为电压，输出为加速度计、陀螺的采样值，最终对模型辨识得到对象模型
Figure BDA0001347305100000021
高采样率可获得较高精度的对象模型，用于实现高带宽内环，以及促成扰动观测器的实现；
步骤(3)：实现传统的位置、速度双闭环。在获取到速度被控对象模型Gv(s)基础上，设计内环速度控制器Cv(s)实现高带宽速度反馈闭环，然后再次通过频率响应测试仪测试速度内环闭环后的对象模型，输入为给定速度，输出为CCD量，此对象模型为外环被控对象模型，称为Gp(s)，然后可设计CCD环控制器Cp(s)，这样就构成了传统的双闭环控制；
步骤(4)：添加加速度扰动观测器。首先把速度控制器输出量u在送给硬件驱动的同时，作为给定输入送给辨识出来的加速度对象
Figure BDA0001347305100000022
这样可以得到一个理论上不含任何扰动的加速度输出量；然后，用加速度计测量值减去理论加速度输出，如此可观测得到镜面的扰动加速度；继而把该扰动观测量输入给前馈控制器C′fa(s)得到前馈量；最后在速度控制器的给定量上减去该前馈量，这样就实现了扰动加速度观测器控制；
步骤(5)：添加速度扰动观测器。像实现加速度扰动观测器一样，先把把速度控制器输出量u在送给驱动和加速度对象的同时，作为给定输入给辨识出来的速度对象
Figure BDA0001347305100000023
然后，用陀螺的测量值减去辨识对象
Figure BDA0001347305100000024
的输出，这样来观测扰动速度量；最后把观测得到的扰动速度量通过前馈控制器C′fv(s)后进行补偿，其补偿节点为位置控制器Cp(s)的给定。
其中，步骤(2)中加速度和陀螺对象模型的测试频率范围一般为1Hz～1KHz，这样有利于对象的辨识。
其中，步骤(3)中内环速度控制器Cv(s)和外环CCD位置控制器Cp(s)都设计为PI控制器，其模型参考如下：
Figure BDA0001347305100000031
其中，KP为比例增益，KI为积分增益。
其中，步骤(4)中加速度补偿控制器C′fa(s)设计为如下带一阶滤波环节的控制器模型：
Figure BDA0001347305100000032
其中，Kfa为前馈补偿增益，Tfa为滤波器滤波带宽因子。考虑到观测得到的扰动加速度计包含高频噪声，因此在前馈控制器中加入一低通滤波器，其带宽一般设计在200Hz左右以保证系统在中低频补偿的相位特性。
其中，步骤(5)速度补偿控制器C′fv(s)设计为如下带一阶滤波环节的控制器模型：
Figure BDA0001347305100000033
其中，Kfv为前馈补偿增益，Tfv为滤波器滤波带宽因子。考虑到观测得到的扰动速度计包含高频噪声，因此在前馈控制器中加入一低通滤波器，其带宽一般设计在100Hz左右，比加速度滤波带宽低一些，以保证系统在中低频补偿的滞后特性。当前馈补偿器设计为如上模型后，整个前馈控制器呈现一个高通校正特性，从而有力的提高系统的中低频误差抑制能力。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)相对传统的三闭环控制方法，该发明采用基于扰动观测器的前馈方式，同时完成了加速度和速度前馈；由于是双扰动观测器的抑制能力叠加，所以该方法能有效的提高系统的中低频扰动抑制能力；
(2)从物理意义角度看，加速度计实现扰动加速度前馈，陀螺实现扰动速度前馈，量纲对等，扰动观测器能精确地观测出扰动速度和加速度来直接补偿，从而这里对前馈控制器的设计要求简单，在工程上很容易实现；
(3)相比于传统的基于扰动测量的补偿方法而言，这里获取的扰动量是快反镜镜面上的扰动，于扰动传递特性无关。加速度计和陀螺传感器的带宽本身较高，有利于获取高精度的被控对象模型，从而提高扰动观测带宽和精度；
(4)该控制结构在实际工程实现中较为简单，控制复杂度更低，也更为直观易懂。
附图说明
图1是本发明的一种基于双扰动观测器的快反镜稳定控制方法的控制框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
如附图1所示是一种基于双扰动观测器的快反镜稳定控制方法的控制框图，其中包括一个陀螺速度闭环、一个CCD位置闭环、一个加速度扰动观测补偿回路和一个速度扰动观测补偿回路。本方法的核心思想是在传统的速度、位置双闭环控制的基础上，利用加速度计和陀螺分别构成扰动观测回路，用以直接对扰动进行双前馈补偿，进一步提升系统扰动抑制能力。采用所述装置实现前馈控制方法的具体实施步骤如下：
步骤(1)：在快反镜跟踪控制系统镜托的背面或侧面安装加速度计和陀螺两种惯性传感器，用以测量快反镜镜面的偏转角加速度和角速度。两种惯性传感器的采样频率一般较高，用以实现一个高带宽线性内环，为外环提供一个线性被控对象，同时也为扰动观测器的实现提供一个高精度的理论对象模型；
步骤(2)：通过频率响应测试仪分别对平台的加速度、速度频率对象特性进行测试，输入为电压，输出为加速度计、陀螺的采样值，最终对模型辨识得到对象模型
Figure BDA0001347305100000041
高采样率可获得较高精度的对象模型，用于实现高带宽内环，以及促成扰动观测器的实现；
步骤(3)：实现传统的位置、速度双闭环。在获取到速度被控对象模型Gv(s)基础上，设计内环速度控制器Cv(s)实现高带宽速度反馈闭环，然后再次通过频率响应测试仪测试速度内环闭环后的对象模型，输入为给定速度，输出为CCD量，此对象模型为外环被控对象模型，称为Gp(s)，然后可设计CCD环控制器Cp(s)，这样就构成了传统的双闭环控制；
步骤(4)：添加加速度扰动观测器。首先把速度控制器输出量u在送给硬件驱动的同时，作为给定输入送给辨识出来的加速度对象
Figure BDA0001347305100000042
这样可以得到一个理论上不含任何扰动的加速度输出量；然后，用加速度计测量值减去理论加速度输出，如此可观测得到镜面的扰动加速度；继而把该扰动观测量输入给前馈控制器C′fa(s)得到前馈量；最后在速度控制器的给定量上减去该前馈量，这样就实现了扰动加速度观测器控制；
步骤(5)：添加速度扰动观测器。像实现加速度扰动观测器一样，先把把速度控制器输出量u在送给驱动和加速度对象的同时，作为给定输入给辨识出来的速度对象
Figure BDA0001347305100000043
然后，用陀螺的测量值减去辨识对象
Figure BDA0001347305100000044
的输出，这样来观测扰动速度量；最后把观测得到的扰动速度量通过前馈控制器C′fv(s)后进行补偿，其补偿节点为位置控制器Cp(s)的给定。
其中，步骤(2)中加速度和陀螺对象模型的测试频率范围一般为1Hz～1KHz，这样有利于对象的辨识。
其中，步骤(3)中内环速度控制器Cv(s)和外环CCD位置控制器Cp(s)都设计为PI控制器，其模型参考如下：
Figure BDA0001347305100000051
其中，KP为比例增益，KI为积分增益。
其中，步骤(4)中加速度补偿控制器C′fa(s)设计为如下带一阶滤波环节的控制器模型：
Figure BDA0001347305100000052
其中，Kfa为前馈补偿增益，Tfa为滤波器滤波带宽因子。考虑到观测得到的扰动加速度计包含高频噪声，因此在前馈控制器中加入一低通滤波器，其带宽一般设计在200Hz左右以保证系统在中低频补偿的相位特性。
其中，步骤(5)速度补偿控制器C′fv(s)设计为如下带一阶滤波环节的控制器模型：
Figure BDA0001347305100000053
其中，Kfv为前馈补偿增益，Tfv为滤波器滤波带宽因子。考虑到观测得到的扰动速度计包含高频噪声，因此在前馈控制器中加入一低通滤波器，其带宽一般设计在100Hz左右，比加速度滤波带宽低一些，以保证系统在中低频补偿的滞后特性。当前馈补偿器设计为如上模型后，整个前馈控制器呈现一个高通校正特性，从而有力的提高系统的中低频误差抑制能力。

Claims (1)

1.一种基于双扰动观测器的快反镜稳定控制方法，其特征在于：其具体实施步骤如下：
步骤(1)：在快反镜跟踪控制系统镜托的背面或侧面安装加速度计和陀螺两种惯性传感器，用以测量快反镜镜面的偏转角加速度和角速度；两种惯性传感器用以实现一个高带宽线性内环，为外环提供一个线性被控对象，同时也为扰动观测器的实现提供一个理论对象模型；
步骤(2)：通过频率响应测试仪分别对平台的加速度、速度频率对象特性进行测试，输入为电压，输出为加速度计、陀螺的采样值，最终对模型辨识得到加速度对象模型
Figure FDA0002790823220000011
速度对象模型
Figure FDA0002790823220000012
步骤(3)：实现位置、速度双闭环：在获取到速度被控对象模型Gv(s)基础上，设计内环速度控制器Cv(s)实现高带宽速度反馈闭环，然后再次通过频率响应测试仪测试速度内环闭环后的对象模型，输入为给定速度，输出为CCD量，此对象模型为外环被控对象模型，称为Gp(s)，然后可设计外环CCD位置控制器Cp(s)，这样就构成了双闭环控制；
步骤(4)：添加加速度扰动观测器：首先把速度控制器输出量u在送给硬件驱动的同时，作为给定输入送给辨识出来的加速度对象
Figure FDA0002790823220000013
这样可以得到一个理论上不含任何扰动的加速度输出量；然后，用加速度计测量值减去理论加速度输出，如此可观测得到镜面的扰动加速度；继而把该扰动加速度输入给前馈控制器C′fa(s)得到前馈量；最后在速度控制器的给定量上减去该前馈量，这样就实现了扰动加速度观测器控制；
步骤(5)：添加速度扰动观测器：像实现加速度扰动观测器一样，先把速度控制器输出量u在送给驱动和加速度对象的同时，作为给定输入给辨识出来的速度对象
Figure FDA0002790823220000014
然后，用陀螺的测量值减去辨识对象
Figure FDA0002790823220000015
的输出，这样来观测扰动速度量；最后把观测得到的扰动速度量通过前馈控制器C′fv(s)后进行补偿，其补偿节点为外环CCD位置控制器Cp(s)的给定；
其中，步骤(2)中加速度计和陀螺对象模型的测试频率范围为1Hz～1KHz，这样有利于对象的辨识；
其中，步骤(3)中内环速度控制器Cv(s)和外环CCD位置控制器Cp(s)都设计为PI控制器，其PI控制器模型参考如下：
Figure FDA0002790823220000016
其中，KP为比例增益，KI为积分增益；
其中，步骤(4)中加速度补偿前馈控制器C′fa(s)设计为如下带一阶滤波环节的控制器模型：
Figure FDA0002790823220000021
其中，Kfa为加速度补偿前馈控制器的前馈补偿增益，Tfa为加速度补偿前馈控制器的滤波器滤波带宽因子，考虑到观测得到的扰动加速度计包含高频噪声，因此在前馈控制器中加入一低通滤波器，其带宽200Hz以保证系统在中低频补偿的相位特性；
其中，步骤(5)速度补偿前馈控制器C′fv(s)设计为如下带一阶滤波环节的控制器模型：
Figure FDA0002790823220000022
其中，Kfv为速度补偿前馈控制器的前馈补偿增益，Tfv为速度补偿前馈控制器的滤波器滤波带宽因子，考虑到观测得到的扰动速度计包含高频噪声，因此在前馈控制器中加入一低通滤波器，其带宽100Hz。
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