CN108181805A - 一种光电稳定平台控制器在线自整定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电稳定平台控制器在线自整定方法及装置，通过平台模态测试，得到包含平台结构传递函数的平台控制系统模型。当平台在因结构特性变化引起失稳时，可以通过监测平台控制系统响应并在线自整定参数，保证平台控制系统性能。通过平台模态测试，依据采集的激励响应数据进行平台模态测试，获取包含平台结构传递函数的平台控制系统模型，为平台在线自整定控制器设计提供可靠依据。系统可根据需要任意配置数据采集通道、输出通道、采样率和应用对象。可实现两轴四框、两轴两框等多种平台构型的平台控制器设计。

Description

一种光电稳定平台控制器在线自整定方法及装置

技术领域

本发明属于光电稳定平台(以下简称平台)控制技术，涉及一种光电稳定平台控制器在线自整定方法及装置。

背景技术

平台能够隔离载体(例如飞机、舰船、车辆、导弹等)的运动，实现对运动或静止目标实现自动跟踪，保证平台上安装的红外仪、可见光摄像机、激光测距仪和激光照射器等光电传感器能够对目标进行搜索、识别、跟踪、定位以及目标指示。实际应用中，载体运动以及风阻等对光电传感器瞄准线产生干扰，为了建立稳定的瞄准线，消除外界对瞄准线的扰动影响，通常设计闭环控制回路检测瞄准线扰动并驱动平台运动实时调整瞄准线实现对扰动的隔离，保证光电探测器的瞄准线在惯性空间坐标系下稳定。

目前，平台通常采用陀螺仪敏感惯性空间角速率，经平台控制器解算，反馈输出给电机驱动平台调整，消除平台扰动。该方式其结构简单，技术成熟，被广泛的应用。实际应用中，平台谐振对控制系统影响较为显著，控制系统设计要保证控制带宽小于3倍谐振频率以上，才能保证谐振不影响平台稳定控制精度。

为了克服这一问题，需要针对每一套平台进行专门的离线控制参数调试，通过参数试凑的调试方式完成回路设计。然而这种设计方法不能从根本上解决问题，其主要体现在：

首先，同一构型不同台受到加工、装配水平限制，谐振特性存在差异，谐振频率点有时会差别很大。

其次，实际使用中，受到平台内部轴承等器件的磨损以及机械安装配合应力释放等因素的影响，平台谐振频率点会在一段时间后发生频移，造成稳定平台控制失稳。

第三，在高低温等环境条件下，受到机械配合变化等因素的影响，平台谐振频率点也会发生频移，造成稳定平台常温正常，低温或者高温失稳。

这三点是造成目前平台性能一致性的瓶颈问题，给传统平台控制器设计带来困难。根本原因在于传统平台控制系统没有考虑对平台结构传递函数建模分析与测试。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种光电稳定平台控制器在线自整定方法及装置，实现平台控制器参数自整定调整，在平台模态参数变化条件下保证平台控制性能。

技术方案

一种光电稳定平台控制器在线自整定方法,其特征在于步骤如下：

步骤1、建立平台的结构传递函数模型：平台的结构传递函数模型是一组由多阶固有频率、模态阻尼比确定的二阶系统的并联，其具体表达式为：

式中G_ij(s)为第i阶模态第j自由度响应对应的传递函数，φ_ij是第i阶模态振型中第j自由度的振动幅值，φ_ij是第i阶模态振型中激励自由度k处的振动幅值，F_k为第k个自由度的激励力或者扭矩，M_i为第i阶模态对应的归一化质量，ξ_i为第i阶模态阻尼比，ω_i为第i阶模态的固有频率；

步骤2、获取结构传递函数中每阶模态的固有频率、振型及模态阻尼比：

采用ANSYS有限元方法，对平台结构进行模态分析，获得平台结构各阶模态；依据模态分析的结果，采用EFI法确定测试点，将三轴加速度传感器粘贴于测试点；

对应平台的X,Y,Z 3个方向选择3个激励点，以移动力锤对激励点进行敲击，并采集三轴加速度传感器得到加速度响应信号；

以复模态指示函数法CMIF，对加速度响应信号的功率谱进行奇异值分解SVD，然后通过峰值拾取法PP和半功率点法得到模态频率和模态阻尼；采用模态置信准则MAC进行模态模型的检验

步骤3、确定影响平台控制系统的模态频率：将步骤1的平台结构传递函数引入平台控制系统模型，通过Matlab仿真软件进行平台控制系统仿真分析，得到影响控制系统的模态频率，将影响控制系统的模态频率输入至平台控制器；

步骤4、平台控制器在线自整定：平台控制器通过实时监测平台上陀螺输出并对陀螺输出数据进行快速傅里叶变换FFT处理得到平台当前的谐振频率，当该谐振频率在影响控制系统的模态频率范围，且幅值达到系统失稳的上限阈值，则启动控制器参数自整定流程，调整平台控制器算法中陷波器Notch Filter陷波频率，滤除谐振频率信号，保证平台控制系统性能。

一种实现所述光电稳定平台控制器在线自整定方法的装置，其特征在于包括测试组件和处理单元；

所述测试组件包括数据采集与激励设备和稳定平台：光电稳定平台环架机构加速度传感器输出端和数据采集设备输入端连接，激励锤输入端和激励设备输出端连接，数据处理工控机与数据采集设备及激励设备相连；激励设备驱动激励锤对光电稳定平台环架机构特定激励点进行敲击激励，数据采集设备检测光电稳定平台环架测试点上的加速度传感器响应，获取响应数据供数据处理工控机处理；

所述处理单元包括数据处理工控机和平台控制器；数据处理工控机利用获得的响应数据进行模态分析，识别得到光电稳定平台环架机构的各阶模态振型，进而得到包含环架机构的谐振特性的机电联合仿真模型，在此基础上根据现代控制论设计一个控制参数在线自整定控制器，将该控制器下载到光电稳定平台控制器中，通过光电稳定平台控制器控制光电稳定平台环架机构；

所述平台控制器包括信号调理与采集模块、信号处理模块、控制模块和功率驱动模块；控制模块接收数据处理工控机下载的参数后，按照指定控制律，采集陀螺信号，驱动力矩电机拖动光电稳定平台环架机构运动。信号处理模块处理陀螺信号，用于判定当前光电稳定平台状态。

有益效果

本发明提出的一种光电稳定平台控制器在线自整定方法及装置，通过平台模态测试，得到包含平台结构传递函数的平台控制系统模型。当平台在因结构特性变化引起失稳时，可以通过监测平台控制系统响应并在线自整定参数，保证平台控制系统性能。

搭建平台控制器在线自整定装置，包括:测试组件，处理单元；测试组件包括数据采集与激励设备，平台；处理单元包括数据处理工控机、平台控制器。设计平台控制器在线自整定方法，首先通过试验建立平台结构传递函数模型，确定对控制系统影响最大的平台结构模态频率，最后依此对平台控制器在线自整定设计。

本发明的技术特点及效果：

1、平台在线自整定控制器实现对平台谐振特性的实时监测，并能在平台发生谐振时进行控制器参数自整定，对平台参数变化的适应性大大增强，提高平台的鲁棒性。

2、通过平台模态测试，依据采集的激励响应数据进行平台模态测试，获取包含平台结构传递函数的平台控制系统模型，为平台在线自整定控制器设计提供可靠依据。

3、系统可根据需要任意配置数据采集通道、输出通道、采样率和应用对象。可实现两轴四框、两轴两框等多种平台构型的平台控制器设计。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是综合了平台结构传递函数的平台控制系统模型。

图3是平台结构传递函数建模流程示意图。

图4是本发明平台控制器在线自整定流程示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明采取的方案包括平台控制器自整定装置与自整定方法两个部分。

1、平台控制器自整定装置

包括：测试组件，处理单元；测试组件包括测试组件包括数据采集与激励设备，平台；处理单元包括数据处理工控机、平台控制器。

激励设备驱动激励锤对平台特定激励点进行敲击激励，数据采集设备检测平台测试点上的三轴加速度传感器响应，获取响应数据供数据处理工控机处理。

数据处理工控机利用获得的响应数据进行模态分析，识别得到平台的各阶模态，进而得到平台控制系统模型，在此基础上进行平台控制器设计，并将该控制器下载到平台控制器中，通过平台控制器控制平台。

平台控制器包括信号调理及采样模块、信号处理模块、控制模块和功率驱动模块。控制模块接收数据处理工控机下载的参数后，按照指定控制律，采集陀螺信号，驱动电机拖动平台运动。信号处理模块处理陀螺信号，用于判定当前平台状态。

数据处理工控机与数据采集设备及激励设备相连，平台三轴加速度传感器输出端和数据采集设备输入端连接，激励锤输入端和激励设备输出端连接，为平台模态测试提供硬件条件。

2、平台控制器自整定方法

借助前述装置实现，具体包括下列步骤:

步骤1：建立平台的结构传递函数模型

平台的结构传递函数模型是一组由多阶固有频率、模态阻尼比确定的二阶系统的并联，其具体表达式为：

式中G_ij(s)为第i阶模态第j自由度响应对应的传递函数，φ_ij是第i阶模态振型中第j自由度的振动幅值，φ_ij是第i阶模态振型中激励自由度k处的振动幅值，F_k为第k个自由度的激励力或者扭矩，M_i为第i阶模态对应的归一化质量，ξ_i为第i阶模态阻尼比，ω_i为第i阶模态的固有频率。

步骤2：获取结构传递函数中每阶模态的固有频率、振型及模态阻尼比

采用ANSYS有限元方法，对平台结构进行模态分析，获得平台结构各阶模态。依据模态分析的结果，采用EFI(Effective Independance)法确定测试点，并粘贴三轴加速度传感器。选择3个激励点分别对应平台的X,Y,Z 3个方向，利用移动力锤法，对激励点进行敲击，采集测试点三轴加速度传感器获取加速度响应。通过复模态指示函数法(CMIF)，对响应信号的功率谱进行奇异值分解(SVD)，然后通过峰值拾取法(PP)和半功率点法得到模态频率和模态阻尼。采用模态置信准则(MAC)进行模态模型的检验。

步骤3：确定影响平台控制系统的模态频率

将平台结构传递函数引入平台控制系统模型，通过Matlab仿真软件进行平台控制系统仿真分析，确定影响控制系统的模态频率范围，操作数据处理工控机将该参数下载至平台控制器。

步骤4：平台控制器在线自整定

平台控制器通过实时监测平台上陀螺输出并对陀螺输出数据进行快速傅里叶变换(FFT)处理得到平台当前的谐振频率，当该谐振频率在影响控制系统的模态频率范围，且幅值达到系统失稳的上限阈值，则启动控制器参数自整定流程，调整平台控制器算法中陷波器(Notch Filter)陷波频率，滤除谐振频率信号，保证平台控制系统性能。

具体实施例：

在图1中，数据处理工控机主要承担平台结构传递函数建模和平台控制器设计等任务。数据采集设备输入端与三轴加速度传感器输出端连接，输出端与数据处理工控机连接。激励设备输出端与激励锤连接，输入端与数据处理工控机连接。方位电机和俯仰电机分别安装在平台方位轴和俯仰轴上，驱动平台绕方位和俯仰方向转动，并与平台控制器的功率驱动模块输出端连接。陀螺安装在平台内部，测量平台运动，并与平台控制器的信号调理与采集模块输入端连接。平台控制器的控制模块与数据处理工控机互联，用于下载更新控制参数。平台控制器内部，信号调理与采集模块的输出端连接信号处理模块和控制模块的输入端，信号处理模块的输出端连接控制模块的输入端，控制模块的输出端连接功率驱动模块的输入端。

图2是综合了平台结构传递函数的平台控制系统模型。如图所示，平台控制系统模型中包含了平台结构传递函数，平台结构传递函数对应平台控制系统伯德图中高频部分的峰值，并可以分解为一系列固有频率、模态阻尼比确定的二阶系统。后面依据平台控制系统模型进行控制分析设计。

图3是平台结构传递函数建模流程示意图。如图所示，首先建立平台有限元模型，进行平台模态分析。然后针对平台建立激励点与测试点，接着进行模态测试试验，获取响应数据，依据获得的响应数据进行模态参数测试，并进行模型检验，如果判断结果“否”，则返回前面步骤操作。最终建立包含平台结构传递函数的平台控制系统模型，确定对控制影响较大的模态频率范围。

图4是平台控制器自整定流程示意图。如图所示，首先检测陀螺输出信号，并对陀螺输出数据进行FFT处理得到平台当前的谐振频率，然后判断该谐振频率是否在对控制影响较大的模态频率范围并且幅值超过使平台失稳的阈值，当满足上述条件时，启动平台控制器参数自整定优化，调整平台控制器算法中陷波器(Notch Filter)陷波频率，更新平台控制器参数，保证平台控制系统性能。

下面结合附图对本发明的几个主要功能对本发明的具体实施方式作进一步说明:(一)平台模态分析测试与结构传递函数建立

数据处理工控机通过激励设备与激励锤输入端连接，输出激励信号给激励锤，对平台激励点施加敲击激励；同时通过数据采集设备与三轴加速度传感器输出端连接，用于采集测试点的加速度响应，为平台模态分析提供硬件平台支持。

在数据处理工控机中使用ANSYS建立有限元模型,并进行平台模态分析，获得平台结构各阶模态。依据模态分析的结果，采用EFI(Effective Independance)法确定测试点，选择3个激励点分别对应平台的X,Y,Z 3个方向，利用移动力锤法，借助上述硬件平台进行模态测试试验，对激励点进行敲击，采集测试点三向加速度传感器获取加速度响应。通过复模态指示函数法(CMIF)，对响应信号的功率谱进行奇异值分解(SVD)，然后通过峰值拾取法(PP)和半功率点法得到模态频率和模态阻尼。采用模态置信准则(MAC)进行模态模型的检验。不满足则返回重新修正模型与测试方法，直至通过检验，最终获得平台的结构传递函数。依此在Matlab中建立包含平台结构传递函数的平台控制系统模型，确定影响平台控制系统性能的模态频率范围。

EFI法：Effective Independence法(有效独立法),是指从所有测点出发，通过逐步删除对Fisher信息矩阵对角线元素贡献最小的测点，达到用有限的传感器来尽可能多的采集模态参数信息。

CMIF法：Complex Mode Indication Function法(复模态指示函数法)，是传统模态识别方法，常用于多输入多输出的模态识别。

MAC准则:Modal assurance Criterion准则(模态置信准则)，是指尽量保证测量模态向量保持较大的空间交角，进而尽可能地保留原模态特性，并按照这一原则比较传感器测试点的优化布置方法的优劣。

(二)平台控制器在线自整定设计

陀螺输出与平台控制器内部信号调理与采集模块输入端连接，传递平台谐振信息至控制模块和信号处理模块，信号处理模块再将用FFT算法处理后的陀螺信号频谱信息输出至控制模块，控制模块输出端与功率驱动模块连接，驱动电机运动。为在线自整定控制器设计提供硬件支持。

控制模块接收检测陀螺数据与陀螺信号频谱分析输出，通过判断信号频率是否存在于控制系统敏感的模态频率范围，振幅是否超过控制系统失稳的阈值，条件满足则启动平台控制器参数自整定优化流程，调整平台控制器算法中陷波器(Notch Filter)的陷波频率，滤除谐振频率信号，保证平台控制系统性能。

FFT算法：Fast Fourier Transform算法是一种常用的现代数字信号处理算法，通过傅里叶变换将时域数字信号转化为频域形式，广泛应用于语音、图像处理、信号分析、通讯等领域。

Claims (2)

1.一种光电稳定平台控制器在线自整定方法,其特征在于步骤如下：

步骤1、建立平台的结构传递函数模型：平台的结构传递函数模型是一组由多阶固有频率、模态阻尼比确定的二阶系统的并联，其具体表达式为：

式中G_ij(s)为第i阶模态第j自由度响应对应的传递函数，φ_ij是第i阶模态振型中第j自由度的振动幅值，φ_ij是第i阶模态振型中激励自由度k处的振动幅值，F_k为第k个自由度的激励力或者扭矩，M_i为第i阶模态对应的归一化质量，ξ_i为第i阶模态阻尼比，ω_i为第i阶模态的固有频率；

步骤2、获取结构传递函数中每阶模态的固有频率、振型及模态阻尼比：

采用ANSYS有限元方法，对平台结构进行模态分析，获得平台结构各阶模态；依据模态分析的结果，采用EFI法确定测试点，将三轴加速度传感器粘贴于测试点；

对应平台的X,Y,Z 3个方向选择3个激励点，以移动力锤对激励点进行敲击，并采集三轴加速度传感器得到加速度响应信号；

以复模态指示函数法CMIF，对加速度响应信号的功率谱进行奇异值分解SVD，然后通过峰值拾取法PP和半功率点法得到模态频率和模态阻尼；采用模态置信准则MAC进行模态模型的检验

步骤3、确定影响平台控制系统的模态频率：将步骤1的平台结构传递函数引入平台控制系统模型，通过Matlab仿真软件进行平台控制系统仿真分析，得到影响控制系统的模态频率，将影响控制系统的模态频率输入至平台控制器；

步骤4、平台控制器在线自整定：平台控制器通过实时监测平台上陀螺输出并对陀螺输出数据进行快速傅里叶变换FFT处理得到平台当前的谐振频率，当该谐振频率在影响控制系统的模态频率范围，且幅值达到系统失稳的上限阈值，则启动控制器参数自整定流程，调整平台控制器算法中陷波器Notch Filter陷波频率，滤除谐振频率信号，保证平台控制系统性能。

2.一种实现权利要求1所述光电稳定平台控制器在线自整定方法的装置，其特征在于包括测试组件和处理单元；

所述测试组件包括数据采集与激励设备和稳定平台：光电稳定平台环架机构加速度传感器输出端和数据采集设备输入端连接，激励锤输入端和激励设备输出端连接，数据处理工控机与数据采集设备及激励设备相连；激励设备驱动激励锤对光电稳定平台环架机构特定激励点进行敲击激励，数据采集设备检测光电稳定平台环架测试点上的加速度传感器响应，获取响应数据供数据处理工控机处理；

所述处理单元包括数据处理工控机和平台控制器；数据处理工控机利用获得的响应数据进行模态分析，识别得到光电稳定平台环架机构的各阶模态振型，进而得到包含环架机构的谐振特性的机电联合仿真模型，在此基础上根据现代控制论设计一个控制参数在线自整定控制器，将该控制器下载到光电稳定平台控制器中，通过光电稳定平台控制器控制光电稳定平台环架机构；

所述平台控制器包括信号调理与采集模块、信号处理模块、控制模块和功率驱动模块；控制模块接收数据处理工控机下载的参数后，按照指定控制律，采集陀螺信号，驱动力矩电机拖动光电稳定平台环架机构运动。信号处理模块处理陀螺信号，用于判定当前光电稳定平台状态。