CN107728472A - 一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法。针对快反镜中普遍使用的光纤陀螺体积质量大、价格功耗高，而加速度计由于低频噪声的存在，内环中低频扰动抑制能力不足，无法替代光纤陀螺的问题，该方法在基于加速度反馈的基础上，在加速度内环里添加扰动观测器进行前馈，观测外界对平台的扰动力矩并前馈到加速度控制器中，实现对扰动的补偿，增强了加速度计的能力，提高了系统中低频的扰动抑制能力。该方法是从传感器的使用方式上对系统进行优化，结合反馈和前馈的方式充分挖掘加速度计传感器的能力，发挥了加速度计带宽高、体积质量小，价格便宜的特点，节约了空间和成本。
Description
技术领域
本发明属于光电跟踪平台惯性稳定控制领域，具体涉及一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法，主要提高系统中低频扰动抑制能力，从而进一步提升运动平台光电跟踪设备稳定视轴的性能。
背景技术
在光电跟踪系统中，相比粗跟踪机架，快反镜惯性小，带宽很高，因此广泛用于精跟踪系统中。运动平台上的快反镜不仅要用于跟踪目标，还要完成对运动平台扰动的抑制，而且整个系统的中高频扰动抑制主要靠快反镜的抑制能力。在控制方式上，传统的方案是利用光纤陀螺和CCD构成速度位置双环来提高系统的扰动抑制能力，但是光纤陀螺体积大、质量高，会改变平台的传递特性，不利于平台控制，而且价格高，功耗大。相比光纤陀螺，加速度计体积小、质量轻、价格便宜、功耗低，非常适合用于替代光纤陀螺。文献《Acceleration feedback of a CCD-based tracking loop for fast steering mirror》(Optical Engineering，Vol(48)，2009)利用加速度计、CCD实现了双环稳定控制，但是由于加速度计低频噪声的影响，作者把加速度闭环设计成了带通滤波器，牺牲了中低频的扰动抑制性能，没有充分发挥加速度计的性能。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、陀螺、和CCD实现了三闭环控制，虽然进一步提高了系统的扰动抑制性能，但是由于增加了一种传感器，增加了功耗和成本投入。
发明内容
针对当前快反镜控制系统中普遍使用的光纤陀螺体积质量大，价格和功耗高的问题，本文提出用体积质量小，功耗小而且便宜的加速度计替代光纤陀螺，构建加速度和位置闭环，然后在加速度内环里添加扰动观测补偿器，观测外部扰动力矩，并前馈到加速度控制器的给定中，补偿扰动力矩的影响。本文提出的方法将加速度计同时使用在反馈和前馈当中，充分发挥了加速计的潜力。
为实现本发明的目的，本发明提供一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法，其具体实施步骤如下：
步骤(1)：在快反镜稳定平台的两偏转轴上分别安装加速度计，用以分别敏感平台两轴在惯性空间运动的角加速度。加速计延时小，采样频率高，可以得到很高的带宽；
步骤(2)：实验中快反镜的驱动机构为线性特性很好的音圈电机，通过频响仪可对平台的加速度对象特性进行测量，输入为加速控制器输出值，输出为加速度计测量值。高带宽的加速度计可获得高度近视的加速度对象模型方便设计高带宽的加速度内环；
步骤(3)：在得到被控对象近视模型基础上，设计加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环，然后设计位置控制器Cp(s)，利用CCD实现位置闭环，这样就实现了加速度位置双闭环控制；
步骤(4)：在加速环内构建扰动观测器，添加测量的对象模型把加速度控制器的输出分别输入给真实平台和测量的对象模型利用两者的输出量相减，观测出扰动力矩；
步骤(5)：设计扰动补偿控制器Cf(s)，把观测出的扰动力矩转换为加速度控制给定量来进行前馈补偿，从而实现对扰动力矩的抵消。
其中，步骤(2)中首先根据快反镜的物理机理对建模如下：
其中，包含了二阶微分环节，谐振环节和一个惯性环节，为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，Te为电气时间常数，通过频谱分析仪测量平台的波特图曲线，调整参数使拟合的虚线与测量曲线重合，得到平台高精度模型。
其中，步骤(3)中加速度控制器Ca(s)补偿谐振并部分补偿加速度对象二阶微分，模型参考如下：
其中，Ka为控制器增益，分子的反谐振环节用于补偿加速度对象模型中的谐振，为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，积分环节用于部分补偿对象模型二阶微分，惯性环节用于滤除高频噪声。加速度闭环后，改善了被控对象特性，因此位置控制器Cp(s)可设计为PI控制器。
其中，步骤(5)中扰动补偿控制器Cf(s)设计为如下PI控制器模型：
其中，K为加速度对象模型增益，Te为对象模型中惯性环节时间常数，由于理想的扰动观测控制器物理上不可实现，所以实际使用的取了一个近视，只在中低频与理想控制器相等，放弃了高频的补偿，当前馈补偿器设计为如上模型后，系统的中低频的扰动抑制能力会提高很多。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)相对传统的使用传统光纤陀螺的控制方法，该发明采用体积小、质量轻、价格便宜、功耗低的加速度计构建加速度内环，保证了快反镜理想的传递特性，节约了成本，非常适合快反镜本身尺寸很小需要严格限制传感器尺寸的应用场合。
(2)与单纯将加速度计用于反馈控制的使用方式，该发明结合了扰动观测器前馈的方法，提高了系统在中低频的扰动抑制能力。
(3)与传统的使用光纤陀螺和CCD构建双环的控制方法相比，该发明提高了系统中频的扰动抑制能力，特别适合于中频扰动很剧烈场合。
(4)该发明思路清晰，结构简单，工程上易于实现。
附图说明
图1是本发明的一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法的控制框图。
图2是本发明相对于传统光纤陀螺和CCD构成的速度位置双环、以及加速度计和CCD构成的单纯加速度位置双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。
如附图1所示是一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法的控制框图，其中包过扰动观测器补偿器回路、加速度回路、CCD位置回路；将扰动观测补偿器的前馈控制和加速度位置反馈控制相结合，充分发挥加速度计的性能，进一步提高系统的扰动抑制能力。采用所述装置实现前馈控制方法的具体实现步骤如下：
步骤(1)：在快反镜稳定平台的两偏转轴上分别安装加速度计，用以分别敏感平台两轴在惯性空间运动的角加速度。加速计延时小，采样频率高，可以得到很高的带宽；
步骤(2)：实验中快反镜的驱动机构为线性特性很好的音圈电机，通过频响仪可对平台的加速度对象特性进行测量，输入为加速控制器输出值，输出为加速度计测量值。高带宽的加速度计可获得高度近视的加速度对象模型方便设计高带宽的加速度内环，其加速度对象模型如下：
其中，包含了二阶微分环节，谐振环节和一个惯性环节，为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，Te为电气时间常数。通过频谱分析仪测量平台的波特图曲线，调整参数使拟合的虚线与测量曲线重合，得到平台高精度模型。
步骤(3)：在获取到对象模型基础上，设计加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环，然后利用CCD实现位置控制器Cp(s)的设计，实现加速度位置双闭环控制；在各控制器设计过程中，考虑到加速度对象模型中的二次微分环节，为了避免加速度控制器中出现的二次积分而导致系统饱和，设计的加速度控制器Ca(s)模型参考如下：
其中，Ka为控制器增益，分子的反谐振环节用于补偿加速度对象模型中的谐振，为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，积分环节用于部分补偿对象模型二阶微分，惯性环节用于滤除高频噪声。加速度闭环后，改善了被控对象特性，因此位置控制器Cp(s)可设计为PI控制器。
步骤(4)：在加速环内构建改进的扰动观测补偿器，添加理论对象把加速度控制器的输出同时分别输入给真实对象平台和用两者的输出量相减，可观测出扰动力矩；
步骤(5)：设计扰动补偿控制器Cf(s)，把观测出的扰动力矩转换为加速度控制给定量来进行前馈补偿，实现对扰动力矩的抵消。扰动补偿控制器Cf(s)设计为如下PI控制器模型：
其中，K为加速度对象模型增益，Te为对象模型中惯性环节时间常数，由于理想的扰动观测控制器物理上不可实现，所以实际使用的取了一个近视，只在中低频与理想控制器相等，放弃了高频的补偿。当前馈补偿器设计为如上模型后，系统的中低频的扰动抑制能力会提高很多。
下面以某一快反镜平台系统为例对本发明的设计过程和实验效果进行详细说明：
(1)通过频响仪测出系统的加速度传递函数模型为，因为精确性很高，设计过程中可以认为Ga(s)和近似相等：
(2)通过加速度模型，可以分别设计出加速度、位置控制器，其中加速度控制器设计为：
(3)当实现加速度位置双闭环以后，设计扰动补偿控制器为：
(4)在相同实验条件下，对比传统速度位置双环、加速度位置双环和加速度位置双环+扰动观测器控制方法的扰动抑制残差，如图2是本发明的抑制能力对比图。与单纯的加速度位置双环相比，本发明的中低频扰动抑制能力明显更强；与传统的速度位置双环相比，在大于2.5HZ的中频段，本发明的扰动抑制能力要强很多，虽然由于加速度计的低频噪声，导致低频的抑制能力有所下降，但是本发明针对中频的抑制效果特别适合于在卫星上存在很强中频扰动的应用。
Claims (4)
1.一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法，其特征在于：其具体实施步骤如下：
步骤(1)：在快反镜稳定平台的两偏转轴上分别安装加速度计，用以分别敏感平台两轴在惯性空间运动的角加速度；
步骤(2)：通过频率响应测试仪获取平台的高精度加速度对象特性模型它是真实对象模型Ga(s)的近似；
步骤(3)：在获取到被控对象模型基础上，设计加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环，然后利用CCD实现位置控制器Cp(s)和位置闭环，这样就实现了加速度和位置双闭环控制；
步骤(4)：在加速环内构建扰动观测器，添加测量的对象模型把加速度控制器的输出分别输入给真实平台和测量的对象模型这样利用两者的输出量相减，观测出扰动力矩；
步骤(5)：设计扰动补偿控制器Cf(s)，把观测出的扰动力矩转换为加速度控制给定量来进行前馈补偿，从而实现对扰动力矩的抵消。
2.根据权利要求1所述的一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法，其特征在于：步骤(2)中首先根据快反镜的物理机理对建模如下：
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其中，包含了二阶微分环节，谐振环节和一个惯性环节，为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，Te为电气时间常数，通过频谱分析仪测量平台的波特图曲线，调整参数使拟合的虚线与测量曲线重合，得到平台高精度模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法，其特征在于：步骤(3)中加速度控制器Ca(s)补偿谐振并部分补偿加速度对象二阶微分，模型参考如下：
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4.根据权利要求1所述的一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法，其特征在于：步骤(5)中扰动补偿控制器Cf(s)设计为如下PI控制器模型：
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