CN107505845B - 一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法 - Google Patents

一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107505845B
CN107505845B CN201710838135.9A CN201710838135A CN107505845B CN 107505845 B CN107505845 B CN 107505845B CN 201710838135 A CN201710838135 A CN 201710838135A CN 107505845 B CN107505845 B CN 107505845B
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
acceleration
virtual
velocity
control system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710838135.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107505845A (zh
Inventor
任维
邓超
毛耀
张超
李志俊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Optics and Electronics of CAS
Original Assignee
Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Optics and Electronics of CAS filed Critical Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority to CN201710838135.9A priority Critical patent/CN107505845B/zh
Publication of CN107505845A publication Critical patent/CN107505845A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107505845B publication Critical patent/CN107505845B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

本发明涉及一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法，该方法在仅用加速度传感器和CCD位置传感器的情况下，利用加速度传感器信号积分成虚拟速度信号，以获得倾斜镜的运动速度信息。由于加速度传感器信号对低频运动不敏感，因此直接使用虚拟速度信号做反馈控制存在较大误差，需要通过引入CCD位置传感器信号来修正为虚拟速度信号。然后完成加速度、虚拟速度和位置的三闭环控制，从而实现了在满足控制系统负载要求的情况下，进一步提高了系统的稳定能力。该方法是从积分原理上对加速度传感器信号进行复用的，替代了陀螺传感器，节约了成本；同时，该方法思路清晰，结构简单，在工程上易于实现。

Description

一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法
技术领域
本发明属于惯性稳定控制领域，具体的涉及一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法，主要用于减少系统负载，提升运动平台光电跟踪设备跟踪性能。
背景技术
在光电跟踪设备中，倾斜镜作为光束稳定控制系统的重要组成部分，已被广泛应用与天文、航天和其它科学研究领域。而由于CCD的低采样率和机械谐振严重限制倾斜镜的闭环性能。因此，常采用多闭环的方式来提高倾斜镜控制系统性能，然而倾斜镜控制系统对系统的负载有严格的要求，导致没有足够的装配条件去添加任何新的传感器。文献《Inertial sensor-based multi-loop control of fast steering mirror for line ofsight stabilization》(Optical Engineering，Vol(55)，2016)利用加速度计、MEMS陀螺和CCD实现三环稳定，进一步提高倾斜镜的稳定能力。然而该文献中使用了三种传感器，且MEMS陀螺的有效带宽小于100Hz，限制了系统的内回路闭环带宽。因此该方法并不适用于小型倾斜镜控制系统。需要进一步考虑在负载有限的条件下，提高倾斜镜的扰动抑制能力的方法。
发明内容
针对当前倾斜镜的负载不宜过高的要求，倾斜镜的扰动抑制能力不足，无法满足更高精度的稳定控制需求，本发明提出了一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法，该方法采用加速度传感器信号积分成虚拟速度信号，模拟真实的运动速度信息，以替代使用陀螺传感器。然后完成加速度、虚拟速度和位置的三环闭环。实现了只用两种传感器完成三闭环的控制方式，给倾斜镜控制系统的稳定控制提供了新的实现方法，在不增加系统负载的基础上，进一步改善了倾斜镜控制系统内回路的特性，提高了扰动抑制能力。
为实现本发明的目的，本发明提供一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法，其具体实施步骤如下：
步骤(1)：在控制系统中安装加速度传感器，用以敏感系统在惯性空间中运动的加速度；
步骤(2)：通过一次积分原理，将加速度信号积分成虚拟速度信号，模拟控制系统的真实速度信号；
步骤(3)：通过二次积分原理，将加速度信号积分成虚拟位置信号；
步骤(4)：将位置传感器的真实位置数据与虚拟位置信号作差，求出相应的位置积分误差，再对位置积分误差进行微分运算求出虚拟速度的初始速度校正量，最后在每次CCD新的数据信号来临时，用初始速度校正量修正积分公式中的虚拟初始速度；
步骤(5)：通过频率响应测试仪可对平台的加速度频率对象特性进行测试，输入为控制器输出值，输出为加速度计采样值，从而可获得较高精度的加速度对象模型Ga(s)；
步骤(6)：在获取到对象模型Ga(s)基础上，设计加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环，然后设计速度控制器Cv(s)实现虚拟速度反馈闭环，最后利用CCD位置传感器实现位置控制器Cp(s)和位置闭环，这样就实现了三环闭环控制。
进一步地，步骤(2)中利用加速度传感器信号通过一次积分原理，实现虚拟速度信号，模拟控制系统的真实速度信号；
加速度信号积分实现虚拟速度信号的原理如下：
Figure BDA0001410127410000025
假定
Figure BDA00014101274100000210
其中，
Figure BDA0001410127410000029
和
Figure BDA0001410127410000028
分别对应Tk和Tk+1时刻的虚拟速度信号，
Figure BDA0001410127410000026
和
Figure BDA0001410127410000027
分别对应Tk和Tk+1时刻的加速度信号，Ta为加速度信号的采样周期。
进一步地，步骤(3)中利用加速度传感器信号通过二次积分原理，实现虚拟位置信号；
加速度信号积分实现虚拟位置信号的原理如下：
Figure BDA0001410127410000021
其中，
Figure BDA0001410127410000022
和
Figure BDA0001410127410000023
分别代表Tk和Tk+1时刻的虚拟位置信号，
Figure BDA00014101274100000211
代表Tk时刻的虚拟速度信号，
Figure BDA00014101274100000212
和
Figure BDA00014101274100000213
分别对应Tk和Tk+1时刻的加速度信号，Ta为加速度信号的采样周期。
进一步地，步骤(4)中计算出虚拟位置值和真实位置传感器信号之间的误差，再通过微分原理，求出虚拟速度的初始速度校正量，然后在每次执行步骤(2)时，根据初始速度校正量，修正积分公式中的虚拟初始速度；
在CCD位置传感器的一个采样周期内，根据CCD的位置信号B和虚拟位置信号θ，可以求出积分运算时的初始速度δ修正后的初始速度δ'，具体公式如下：
Figure BDA0001410127410000024
在CCD位置传感器的一个采样周期内，速度的积分增量公式如下：
Figure BDA0001410127410000031
其中，Δw代表速度在一个位置传感器采样周期内的增量；Ta代表加速度信号的采样周期；
Figure BDA0001410127410000032
分别表示T1,Tk,TN时刻的加速度信号。T1指初始时刻；TN指末端时刻。
因此，虚拟速度w的校正公式如下：
w＝δ'+Δw。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)相对当前最新的三闭环控制方法，该发明引入虚拟速度环反馈方法，在不增加倾斜镜控制系统负载的情况下，提高系统内回路特性，改善系统的扰动抑制能力；
(2)该发明是从传感器复用的角度上对系统进行优化，无需再另加传感器，保证了系统原有特性，并节约了成本；
(3)该发明思路清晰，结构简单，在工程易于实现，特别是在倾斜镜系统负载严重受限的情况下，可很好地发挥其优势。
附图说明
图1是本发明的一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法的控制框图。
图2是本发明的一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法的虚拟速度和陀螺数据的对比图。
图3是本发明的相对于不含有虚拟速度环的双闭环的带宽对比图。
图4是本发明的相对于不含有虚拟速度环的双闭环的扰动抑制能力对比图。
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。
如图1所示是一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法的控制框图，其中包括加速度回路、虚拟速度回路和CCD位置回路；在仅使用加速度传感器和CCD位置跟踪传感器的基础上，完成了三闭环控制，较传统的一个传感器对应一个闭环回路的方法，在减少使用的陀螺传感器的情况下，能够进一步提高倾斜镜的抗扰能力。
采用所述装置实现三闭环控制方法的具体实施步骤如下：
步骤(1)：在倾斜镜稳定平台的两偏转轴上安装加速度计，用以分别敏感平台两轴在惯性空间运动的角加速度。这里的加速度的采样频率一般较高，用以实现高带宽内环，使用CCD传感器用于探测目标的位置变化；
步骤(2)：将加速度传感器的测量信号积分成虚拟速度信号，以模拟真实陀螺传感器的测量信号；
步骤(3)：倾斜镜控制系统是一个具有良好线性特性的系统，通过频率响应测试仪可对平台的加速度频率开环对象特性进行测试，再通过数学拟合处理，获得较高精度的加速度对象模型Ga(s)。在获取到对象模型Ga(s)基础上，设计相应的加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环；
步骤(4)：根据虚拟速度信号，实现速度反馈回路。由于加速度传感器对低频运动不敏感，若直接使用加速度信号积分成速度信号时，计算出的虚拟速度信号会存在较大的误差。因此，需要引用入CCD传感器的信号来修正虚拟速度信号。
步骤(5)：再使用修改的虚拟速度信号测量倾斜镜的速度开环对象Gv(s)，然后，设计相应的速度控制器Cv(s)实现速度闭环。最后测量出位置开环对象Gp(s)，设计位置控制器Cp(s)，实现加速度、虚拟速度和位置的三闭环控制。
下面以一倾斜镜实验系统为例对本发明的设计过程和效果进行详细说明：
(1)通过频率响应测试仪测出系统的加速度传递函数模型Ga(s)如下：
Figure BDA0001410127410000041
(2)通过加速度对象模型可以此设计出加速度、速度、位置控制器，其中加速度环控制器设计为：
Figure BDA0001410127410000042
(3)实现加速度、速度和位置的三闭环控制。
(4)如图2是本发明的加速度积分速度的效果图。分别显示了在给定输入信号在1Hz、50Hz、100Hz条件下，虚拟速度和光纤陀螺传感器数据的对比。
(5)如图3是本发明的加速度、速度、位置三闭环和加速度、位置双闭环的带宽对比图。与传统双闭环控制方法相比，可以明确看出三闭环比两闭环的带宽提高了1Hz左右。
(6)如图4是本发明的加速度、速度、位置三闭环和加速度、位置双闭环的扰动抑制对比图。与传统双闭环控制方法相比，可以明确看出三闭环比两闭环的扰动抑制能力在低频出有明显提升，但是由于引入为位置信号存在延迟，因此，中高频没有明显的提升。

Claims (3)

1.一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法，其特征在于：其具体实施步骤如下：
步骤(1)：在控制系统中安装加速度传感器，用以敏感系统在惯性空间中运动的加速度；
步骤(2)：通过一次积分原理，将加速度信号积分成虚拟速度信号，模拟控制系统的真实速度信号；
步骤(3)：通过二次积分原理，将加速度信号积分成虚拟位置信号；其中利用加速度传感器信号通过二次积分原理，实现虚拟位置信号；
加速度信号积分实现虚拟位置信号的原理如下：
Figure FDA0002515265290000011
其中，
Figure FDA0002515265290000012
和
Figure FDA0002515265290000013
分别代表Tk和Tk+1时刻的虚拟位置信号，
Figure FDA0002515265290000014
代表Tk时刻的虚拟速度信号，
Figure FDA0002515265290000015
和
Figure FDA0002515265290000016
分别对应Tk和Tk+1时刻的加速度信号，Ta为加速度信号的采样周期；
步骤(4)：将位置传感器的真实位置数据与虚拟位置信号作差，求出相应的位置积分误差，再对位置积分误差进行微分运算求出虚拟速度的初始速度校正量，最后在每次CCD新的数据信号来临时，用初始速度校正量修正积分公式中的虚拟初始速度；
步骤(5)：通过频率响应测试仪可对平台的加速度频率对象特性进行测试，输入为控制器输出值，输出为加速度计采样值，从而可获得较高精度的加速度对象模型Ga(s)；
步骤(6)：在获取到对象模型Ga(s)基础上，设计加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环，然后设计速度控制器Cv(s)实现虚拟速度反馈闭环，最后利用CCD位置传感器实现位置控制器Cp(s)和位置闭环，这样就实现了三环闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法，其特征在于：步骤(2)中利用加速度传感器信号通过一次积分原理，实现虚拟速度信号，模拟控制系统的真实速度信号；
加速度信号积分实现虚拟速度信号的原理如下：
Figure FDA0002515265290000017
假定
Figure FDA0002515265290000018
其中，
Figure FDA0002515265290000019
和
Figure FDA00025152652900000110
分别对应Tk和Tk+1时刻的虚拟速度信号，
Figure FDA00025152652900000111
和
Figure FDA00025152652900000112
分别对应Tk和Tk+1时刻的加速度信号，Ta为加速度信号的采样周期。
3.根据权利要求1所述的一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法，其特征在于：步骤(4)中计算出虚拟位置值和真实位置传感器信号之间的误差，再通过微分原理，求出虚拟速度的初始速度校正量，然后在每次执行步骤(2)时，根据初始速度校正量，修正积分公式中的虚拟初始速度；
在CCD位置传感器的一个采样周期Tp内，根据CCD的位置信号B和虚拟位置信号θ，可以求出积分运算时的初始速度δ修正后的初始速度δ'，具体公式如下：
Figure FDA0002515265290000021
在CCD位置传感器的一个采样周期内，速度的积分增量公式如下：
Figure FDA0002515265290000022
其中，Δw代表速度在一个位置传感器采样周期内的增量；Ta代表加速度信号的采样周期；
Figure FDA0002515265290000023
分别表示T1,Tk,TN时刻的加速度信号，T1指初始时刻；TN指末端时刻；
因此，虚拟速度w的校正公式如下：
w＝δ'+Δw。
CN201710838135.9A 2017-09-18 2017-09-18 一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法 Active CN107505845B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710838135.9A CN107505845B (zh) 2017-09-18 2017-09-18 一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710838135.9A CN107505845B (zh) 2017-09-18 2017-09-18 一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107505845A CN107505845A (zh) 2017-12-22
CN107505845B true CN107505845B (zh) 2020-08-11

Family

ID=60696970

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710838135.9A Active CN107505845B (zh) 2017-09-18 2017-09-18 一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107505845B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108646568B (zh) * 2018-07-05 2021-06-18 中国科学院光电技术研究所 一种基于改进的扰动观测器的倾斜镜振动抑制方法
CN109164709A (zh) * 2018-11-15 2019-01-08 中国科学院光电技术研究所 一种基于改进型Smith预估器的光电跟踪系统控制方法
CN109856964B (zh) * 2019-03-08 2020-08-21 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于脱靶量处理的运动目标控制方法和系统
CN110209049B (zh) * 2019-05-22 2022-04-19 中国科学院光电技术研究所 一种基于惯性回路的窄带大幅值扰动抑制方法
CN110927920B (zh) * 2019-12-20 2022-04-19 中国科学院光电技术研究所 一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置及方法
CN113358114B (zh) * 2021-07-01 2022-07-29 中国科学院光电技术研究所 一种基于陀螺和精电视信号融合的扰动解耦与抑制方法
CN114137722B (zh) * 2021-11-12 2023-12-05 长春理工大学 自适应光学中倾斜镜的最优控制方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040055430A (ko) * 2002-12-21 2004-06-26 한국전자통신연구원 전자광학추적기에서 영상 추적부의 시간지연 보상 제어기및 제어방법
CN102506860A (zh) * 2011-11-26 2012-06-20 中国科学院光电技术研究所 一种基于加速度反馈与前馈的惯性稳定装置及其控制方法
CN102608912A (zh) * 2012-03-23 2012-07-25 中北大学 主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法
CN103149950A (zh) * 2013-01-29 2013-06-12 中国科学院光电技术研究所 惯性速率复合稳定控制系统
CN106482735A (zh) * 2016-10-14 2017-03-08 中国科学院光电技术研究所 一种提高快反镜稳定平台扰动抑制能力的控制方法
CN106814624A (zh) * 2017-03-09 2017-06-09 中国科学院光电技术研究所 一种改进的基于多闭环的快反镜扰动观测补偿控制方法
CN106896720A (zh) * 2017-03-09 2017-06-27 中国科学院光电技术研究所 一种改进的基于捷联式加速度测量的快反镜惯性稳定控制方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040055430A (ko) * 2002-12-21 2004-06-26 한국전자통신연구원 전자광학추적기에서 영상 추적부의 시간지연 보상 제어기및 제어방법
CN102506860A (zh) * 2011-11-26 2012-06-20 中国科学院光电技术研究所 一种基于加速度反馈与前馈的惯性稳定装置及其控制方法
CN102608912A (zh) * 2012-03-23 2012-07-25 中北大学 主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法
CN103149950A (zh) * 2013-01-29 2013-06-12 中国科学院光电技术研究所 惯性速率复合稳定控制系统
CN106482735A (zh) * 2016-10-14 2017-03-08 中国科学院光电技术研究所 一种提高快反镜稳定平台扰动抑制能力的控制方法
CN106814624A (zh) * 2017-03-09 2017-06-09 中国科学院光电技术研究所 一种改进的基于多闭环的快反镜扰动观测补偿控制方法
CN106896720A (zh) * 2017-03-09 2017-06-27 中国科学院光电技术研究所 一种改进的基于捷联式加速度测量的快反镜惯性稳定控制方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于加速度计的光电跟踪系统等效复合控制;杜杰 等;《电光与控制》;20120430;第19卷(第4期);第89-92页 *
惯性稳定平台中的加速度反馈控制技术;唐涛 等;《红外与激光工程》;20141031;第43卷(第10期);全文 *
惯性稳定平台中的多传感器控制技术研究;田竞;《中国博士学位论文全文数据库信息科技辑》;20170515;正文第50-55页和第66页 *
无陀螺惯性测量系统角速度估计算法;杨杰 等;《弹箭与制导学报》;20100630;第30卷(第3期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107505845A (zh) 2017-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107505845B (zh) 一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法
CN105698765B (zh) 双imu单目视觉组合测量非惯性系下目标物位姿方法
CN107367934B (zh) 一种基于双扰动观测器的快反镜稳定控制方法
CN109541945B (zh) 一种基于复合型扰动观测器的扰动抑制方法
CN106896720B (zh) 一种改进的基于捷联式加速度测量的快反镜惯性稳定控制方法
CN106482735A (zh) 一种提高快反镜稳定平台扰动抑制能力的控制方法
CN110543123B (zh) 一种基于虚拟多闭环的扰动测量前馈抑制方法
CN106814624A (zh) 一种改进的基于多闭环的快反镜扰动观测补偿控制方法
CN110032074B (zh) 一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法
CN105371868A (zh) 一种惯性稳定平台系统加速度计组合误差标定和补偿方法
CN109164709A (zh) 一种基于改进型Smith预估器的光电跟踪系统控制方法
CN102506860A (zh) 一种基于加速度反馈与前馈的惯性稳定装置及其控制方法
CN102621890A (zh) 一种运动载体光电跟踪稳定平台的控制方法
CN110879618B (zh) 一种基于加速度和位置扰动信息的多扰动观测器三闭环稳定跟踪方法
CN102426420A (zh) 一种强鲁棒性的运动载体光电稳定平台控制系统
CN104101364B (zh) 一种提高微机械陀螺稳像平台精度的方法
CN110231845B (zh) 一种导引头稳定平台的控制方法及复合控制系统
CN111443738A (zh) 一种基于mems加速度计与加速度扰动观测器结合的扰动抑制方法
CN107272411A (zh) 一种插件式加速度反馈的快反镜光束稳定控制方法
CN113670314A (zh) 基于pi自适应两级卡尔曼滤波的无人机姿态估计方法
CN111488001A (zh) 一种快反镜复合稳定平台控制系统及其设计方法
CN104897153A (zh) 一种基于mems和mr传感器的载体姿态测量系统
Xiangyang et al. Disturbances rejection based on robust H∞ control for an aerial inertially stabilized platform
CN103175445B (zh) 基于mems陀螺的位标器系统及其跟踪方法
KR20150143077A (ko) 모바일용 카메라의 손떨림 보정 장치

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant