CN108469842A - 一种运动平台复合轴光电跟踪系统精稳定扰动解耦方法 - Google Patents

一种运动平台复合轴光电跟踪系统精稳定扰动解耦方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种运动平台复合轴光电跟踪系统精稳定扰动解耦方法，主要用于解耦粗跟踪机架陀螺信息中的目标运动信号和扰动信号，估计出机架粗稳定和粗跟踪共同作用之后的残余扰动量，利用跟踪镜抑制解耦出来的残余扰动。跟踪机架包含粗跟踪和粗稳定回路，建立粗稳定回路模型为GM(s)。将粗跟踪回路控制量同时作为粗稳定回路和其模型GM(s)的输入，将二者输出相减得到粗稳定剩余扰动df(s)，再将df(s)乘以粗跟踪误差传递函数W(s)，得到粗稳定和粗跟踪作用之后的剩余扰动d2(s)。将解耦出来的d2(s)前馈控制到跟踪镜就构成了精稳定，从而提高系统扰动抑制能力。本发明不需要增加额外的传感器，简单有效，工程实现容易。

Description

一种运动平台复合轴光电跟踪系统精稳定扰动解耦方法
技术领域
本发明属于惯性稳定控制领域，具体涉及一种运动平台复合轴光电跟踪系统精稳定扰动解耦方法。
背景技术
运动载体上的光电系统视轴会受到载体扰动的影响，因此，必须建立稳定控制分系统，隔离载体扰动，使系统视轴不受扰动的影响。目前常用的惯性稳定控制方案是在跟踪机架上安装惯性速率传感器，机架采用惯性速率传感器反馈闭环。但是由于机架惯性大，机架速度稳定回路带宽低，扰动抑制能力有限；而高精度的惯性传感器体积大、重量大、成本高，不便于安装在快反镜上。因此，利用机架惯性传感器测量的扰动信息前馈控制到快反镜，构成精稳定控制是一种有效的途径。但是，对于复合轴光电跟踪系统来说，机架实现对目标的粗跟踪和对扰动的粗稳定，机架惯性传感器测量信号包含目标运动信息和扰动信息。如何从机架惯性传感器信息中解耦得到粗稳定和粗跟踪抑制之后剩余的扰动信号是精稳定控制的关键，保证精稳定控制既能提高系统扰动抑制能力，而又不降低系统对目标的跟踪能力。一种常用的精稳定扰动解耦方法是采用高通滤波法，此种方法的优点是简单，但是会损失低频段扰动信息，且造成滤波后剩下的扰动信号低频部分相位超前，从而使得二级稳定有效的扰动抑制频段很窄。另外一种方法是基于内模原理对角速度信号直接解耦，获取到的信号已滤除掉了目标信息，但是这种方法获得的是机架粗稳定回路抑制剩余扰动，并没有滤除掉粗跟踪回路扰动抑制能力，如果将这种方法获得的扰动直接用于精稳定控制，虽然提高系统在中频段的扰动抑制能力，但是在低频段会损失掉粗跟踪回路对扰动的抑制能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种运动平台复合轴光电跟踪系统精稳定扰动解耦方法，用于解耦机架惯性传感器中粗稳定和粗跟踪作用之后剩余的扰动信息，将解算得到的扰动前馈到快反镜构成精稳定，以获得高精度的视轴稳定结果。
本发明解决上述技术问题提供的技术方案为：一种运动平台复合轴光电跟踪系统精稳定扰动解耦方法，该方法的步骤如下：
步骤(1)、机架控制包含速度回路和跟踪回路，速度回路由安装在机架方位轴和俯仰轴上的角速度陀螺反馈闭环，跟踪回路由粗图像探测器反馈闭环。机架速度回路作为复合轴系统的粗稳定回路，机架跟踪回路为复合轴系统的粗跟踪回路。粗稳定回路的闭环特性为：建立粗稳定回路模型GM(s)，其中：C1(s)为粗稳定回路控制器，P1(s)为真实机架速度特性，PM(s)为机架速度特性模型，P1(s)＝PM(s)+ΔP(s)。
步骤(2)、将粗跟踪回路控制量uCTrack(s)同时作为粗稳定回路和其模型GM(s)的输入信号，将陀螺A、E测得的机架真实速度与速度回路模型GM(s)的输出相减得到df(s)，其中：uCTrack(s)为机架粗跟踪回路控制量；d(s)为外部扰动。由于将跟踪机架陀螺闭环整体特性当作扰动解耦的被控对象，减小了机架自身特性变化对扰动解耦精度的影响，即：一般设计C1(s)PM(s)的值比较大，则G1(s)-GM(s)＝ΔP(s)，因此就代表了机架粗粗稳定回路抑制之后的剩余扰动量；
步骤(3)、将df(s)乘以W(s)得到d2(s)，W(s)为粗跟踪回路误差传递函数，即：则即d2(s)为粗稳定和粗跟踪共同作用之后的剩余扰动，且d2(s)不包含目标信息。其中C2(s)为粗跟踪控制器。
步骤(4)、跟踪镜控制包含由位置传感器反馈闭环的位置内回路和有精图像探测器反馈闭环的精跟踪回路。将解耦出来的机架控制残余扰动d2(s)前馈到跟踪镜位置内回路，在经典复合轴控制的基础上构成精稳定控制，包含精稳定控制的全系统扰动抑制能力为：即全系统对扰动的抑制能力为粗跟踪回路、粗稳定回路、精跟踪回路和精稳定回路四个回路扰动抑制能力的乘积。包含精稳定控制的全系目标跟踪能力为：即采用本发明扰动解耦方法的精稳定控制不影响全系统目标跟踪能力。其中，C5(s)为扰动前馈控制器；为快反镜位置内回路闭环特性；Wvel(s)＝C1(s)P1(s)；Wmain(s)＝C2(s)G1(s)；Waux(s)＝C3(s)G2(s)。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明可以实现对机架惯性传感器测量信号中目标信息和扰动信息的全解耦，既滤除掉目标运动信息，又准确获取精稳定控制需要的扰动信息，即机架粗稳定回路和粗跟踪回路共同抑制之后的剩余扰动；
(2)、本发明不需要额外的传感器，算法简单，稳定可靠，工程实现容易。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；其中：1为跟踪机架，2为俯仰轴，3为方位轴，4为陀螺E，5为陀螺A，6为跟踪快反镜，7为精探测器。
图2为本发明控制结构图；图2(a)为采用本发明进行扰动解耦的复合轴光电跟踪系统控制结构，图2(b)为图2(a)中机架陀螺速度反馈粗稳定回路的等效结构图；
其中，粗稳定回路被控对象特性记为P1(s)；粗稳定回路控制器记为C1(s)；粗稳定闭环回路模型记为GM(s)；粗跟踪回路控制器记为C2(s)；跟踪镜位置内回路被控对象特性为P2(s)；跟踪镜位置内回路控制器记为C4(s)；精跟踪控制器记为C3(s)；粗跟踪回路误差传递函数记为W(s)；解耦得到粗稳定和粗跟踪作用之后的剩余扰动记为d2(s)；扰动前馈控制器记为C5(s)；目标位置输入记为R(s)；扰动角度记为d(s)；系统视轴位置输出记为Y(s)。
图3为采用本发明的全系统扰动抑制性能与传统复合轴控制扰动抑制性能对比。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式说明本发明，本领域的技术人员可根据本说明书揭示的内容了解本发明的功效及优点。
(1)在跟踪机架方位轴和俯仰轴上分别安装角速率陀螺A、E，敏感机架方位轴和俯仰轴角速度。设机架速度特性传递函数为：设计机架速度环回路控制器C1(s)为：
(2)建立机架速度回路闭环模型GM(s)，设计GM(s)为：将目标角速度同时输入给机架速度回路和GM(s)，得到二者的输出分别为ωout(s)和 为积极粗稳定回路抑制之后的剩余扰动。
(3)设计粗跟踪控制器C2(s)、精跟踪控制器C3(s)、跟踪镜位置内回路控制器C4(s)为常规PI控制器，设计粗跟踪回路误差函数d2(s)＝df(s)*W(s)，d2(s)就是解耦出来用于前馈控制的扰动信号。
(4)为了验证本发明的有效性，将解耦得到的d2(s)精前馈控制器前馈控制到跟踪快反镜，设计前馈控制器为：
采用本发明解耦机架陀螺信息中粗稳定和粗跟踪共同作用之后的剩余扰动信息，并利用跟踪镜进行扰动抑制得到的包含精稳定控制的全系统扰动抑制结果如图3所示。从图3可知，传统复合轴控制扰动抑制能力为粗稳定+粗跟踪+精跟踪三个回路能力的总和，扰动抑制带宽为12Hz；包含精稳定控制的全系统扰动抑制能力为粗稳定+粗跟踪+精跟踪+精稳定四个回路能力的总和，精稳定提高了系统在34Hz以内的扰动抑制能力。采用本发明解耦方法得到的精稳定对系统扰动抑制能力的提升说明了本发明的有效性。

Claims (1)

1.一种运动平台光复合轴光电跟踪系统精稳定扰动解耦方法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤(1)、在跟踪机架方位轴和俯仰轴上分别安装角速率陀螺A、角速率陀螺E，分别敏感机架方位轴和俯仰轴角速度，机架方位轴和俯仰轴分别采用角速率陀螺A、E反馈闭环，构成粗稳定回路，粗稳定回路的闭环特性为：建立粗稳定回路模型GM(s)，其中：C1(s)为粗稳定回路控制器，P1(s)为真实机架速度特性，PM(s)为机架速度特性模型，P1(s)＝PM(s)+ΔP(s)；
步骤(2)、将粗跟踪回路控制量uCTrack(s)同时作为粗稳定回路和其模型GM(s)的输入信号，将机架真实速度与速度回路模型输出相减得到df(s)，其中：uCTrack(s)为机架粗跟踪回路控制量，作为粗稳定回路和其模型输GM(s)的入量；d(s)为外部扰动，由于一般设计C1(s)PM(s)的值比较大，则G1(s)-GM(s)＝ΔP(s)，因此就代表了机架粗稳定剩余扰动量；
步骤(3)、将df(s)乘以粗跟踪回路误差传递函数W(s)得到d2(s)，则d2(s)为粗稳定和粗跟踪共同作用之后的剩余扰动，且d2(s)不包含目标信息，其中C2(s)为粗跟踪控制器；
步骤(4)、将解耦出来的机架控制残余扰动d2(s)前馈到跟踪镜位置内回路，在经典复合轴控制的基础上构成精稳定控制，包含精稳定控制的全系统扰动抑制能力为：即全系统对扰动的抑制能力为粗跟踪回路、粗稳定回路、精跟踪回路和精稳定回路四个回路扰动抑制能力的乘积，包含精稳定控制的全系目标跟踪能力为：即采用该扰动解耦方法的精稳定控制不影响全系统目标跟踪能力，其中，C5(s)为扰动前馈控制器；为快反镜位置内回路闭环特性；Wvel(s)＝C1(s)P1(s)；Wmain(s)＝C2(s)G1(s)；Waux(s)＝C3(s)G2(s)。
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