CN108897230B - 一种基于跟踪和扰动前馈的快反镜控制方法 - Google Patents

一种基于跟踪和扰动前馈的快反镜控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于跟踪和扰动前馈的快反镜控制方法。针对基于光纤陀螺和CCD传感器的快反镜双闭环跟踪稳定控制中，跟踪精度不够，抗扰能力不足的问题，该方法在基于速度和位置闭环的基础上，通过联合CCD的输出和速度闭环模型的输出，构造了一个包含目标和扰动信息的合成速度，前馈到系统中，同时实现了跟踪前馈和扰动前馈，提升了系统在低频的跟踪和抗扰性能。该方法是从控制结构对系统进行改进，在反馈控制的基础上结合前馈方法充分挖掘传感器的能力，在不外加任何硬件的情况下，提升系统性能。

Description

一种基于跟踪和扰动前馈的快反镜控制方法
技术领域
本发明属于光电跟踪平台惯性稳定控制领域，具体涉及一种基于跟踪和扰动前馈的快反镜控制方法，主要提高系统的低频跟踪和抗扰性能，从而提升系统在复杂扰动环境下的跟踪精度。
背景技术
在光电跟踪系统中，相比体积和转动惯量大的机架，快反镜惯性小，线性度好，带宽高，因此广泛用于复合轴跟踪系统中。基于运动平台的快反镜系统不仅要用于跟踪目标运动，还要实时抵消平台基座传递的扰动。在控制方式上，由于CCD存在延时，带宽低，往往在基于CCD的位置环里，添加一个基于光纤陀螺的速度内环，利用高精度高帧频的陀螺改造系统的传递特性，提升系统的跟踪和抗扰能力。文献《Implementation of a Low-costFiber Optic Gyroscope for a Line-of-Sight Stabilization System》(Journal ofInstitute of Control,Vol(21),2015) 利用光纤陀螺提升了系统的稳定性能，但是随着应用的拓展，基于反馈控制的快反镜跟踪稳定系统，并不能满足我们对跟踪性能和抗扰能力的要求，尤其是目标的运动信息主要分布在低频的情况下。
发明内容
针对当前基于光纤陀螺和CCD的快反镜控制系统中跟踪和抗扰性能不足的问题，本文提出了将CCD的输出信号微分后，与延时后的速度给定信号叠加后得到包含了目标和扰动信息的合成速度，由于CCD延时对低频信号的影响很小，可以把合成速度的低频分量直接前馈到闭环系统中，提升系统低频的跟踪和抗扰性能。
为实现本发明的目的，本发明提供一种基于跟踪和扰动前馈的快反镜控制方法，其具体实施步骤如下：
步骤(1)：在快反镜平台的两偏转轴上分别安装光纤陀螺，用以分别测量平台两轴在惯性空间运动的角速度；
步骤(2)：通过频率响应测试仪获取平台的速度对象特性模型
Figure BDA0001814894410000011
由于快反镜的线性度很高，它是真实对象Gv(s)的高度近似；
步骤(3)：在得到被控对象速度模型
Figure BDA0001814894410000021
基础上，设计速度控制器Cv(s)实现速度闭环控制，然后在CCD位置环设计位置控制器Cp(s)，实现位置闭环，这样就完成了速度和位置双闭环控制；
步骤(4)：在位置环前向通路中搭建前馈结构，将CCD的输出信号微分后，与延时后的速度给定信号相加得到包含了目标和扰动信息的数据，此数据作为前馈控制器Q1的输入，设计前馈控制器Q1，实现跟踪和扰动前馈。
其中，步骤(2)中首先根据快反镜的结构机理对
Figure BDA0001814894410000022
建模如下：
Figure BDA0001814894410000023
其中，包含了微分环节，振荡环节和惯性环节，K为模型增益，
Figure BDA0001814894410000024
为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，Te为电气时间常数，通过频率响应测试仪测量平台的波特响应曲线，调整
Figure BDA0001814894410000025
参数使拟合的曲线和仪器测得的曲线重合，得到平台的速度模型。
其中，步骤(3)中速度控制器Cv(s)补偿振荡环节并补偿速度对象微分，其模型参考如下：
Figure BDA0001814894410000026
其中，Kv为控制器增益，
Figure BDA0001814894410000027
为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，分母中的二次积分用于使补偿后的开环对象特性近似为一阶积分环节，以保证足够的相角裕度，惯性环节用于滤除高频噪声，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(4)中的前馈结构实际为低频跟踪前馈和低频扰动前馈的结合体，其输出同时包含了目标和扰动的信息，其前馈控制器Q1设计为如下一阶低通滤波器：
Figure BDA0001814894410000028
其中，T为低通滤波器时间常数，由于该前馈结构会导致相角滞后，为了保证系统有足够的相角裕度，我们需要把位置控制器调整为0.8Cp(s)，此时T＝6τ，τ为CCD的延时。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)该方法可以同时提升系统的低频跟踪和扰动抑制能力。
(2)该方法在反馈闭环的基础上，添加了前馈控制，在不影响系统稳定性的情况下，充分发挥了传感器的性能。
(3)该方法采用了闭环速度模型作为参考模型，速度闭环模型受平台参数变化的影响较小，提升了系统的鲁棒性。
(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跟踪和扰动前馈的快反镜控制方法的控制框图。
图2是图1的等效控制框图。
图3是本发明在只有跟踪信号输入时相对于传统速度位置双闭环控制的的残差抑制能力对比图。
图4是本发明在只有扰动信号输入时相对于传统速度位置双闭环控制的的残差抑制能力对比图。
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所示是一种基于跟踪和扰动前馈的快反镜控制方法的控制框图，其中包含了速度回路、CCD位置回路、以及由CCD数据微分后与速度给定量叠加的前馈结构；图2是附图 1的等效变换控制框图，本发明的前馈结构实际为跟踪前馈和基于观测的扰动前馈的结合体，其中Bv为速度闭环传递函数，低频时，Bv等于1；通过低通滤波器Q1提取目标和扰动低频分量，前馈到系统中，提升系统低频的跟踪和抗扰性能。采用所述装置实现前馈控制方法的具体步骤如下：
步骤(1)：在快反镜平台的两偏转轴上分别安装光纤陀螺，用以分别测量平台两轴在惯性空间运动的角速度。光纤陀螺延时小，采样率很高，可以得到很高的带宽；
步骤(2)：本发明中快反镜的驱动机构为线性特性很好的音圈电机，通过频率响应测试仪对平台特性进行测量，输入是速度控制器输出值，输出为光纤陀螺测量值，高带宽的陀螺可以获得高度近似 的速度对象模型，方便设计高带宽的速度内环，其速度对象模型如下：
Figure BDA0001814894410000031
其中，包含了微分环节，振荡环节和惯性环节，K为模型增益，
Figure BDA0001814894410000041
为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，Te为电气时间常数，通过频率响应测试仪测量平台的波特响应曲线，调整
Figure BDA0001814894410000042
参数使拟合的曲线和仪器测得的曲线重合，得到平台的速度模型。
步骤(3)：在得到被控对象速度模型
Figure BDA0001814894410000043
基础上，设计速度控制器Cv(s)补偿振荡环节并补偿速度对象的微分，设计的速度控制Cv(s)模型参考如下：
Figure BDA0001814894410000044
其中，Kv为控制器增益，
Figure BDA0001814894410000045
为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，分母中的二次积分用于使补偿后的开环对象特性近似 为一阶积分环节，以保证足够的相角裕度，惯性环节用于滤除高频噪声，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)：在位置环前向通路中搭建前馈结构，根据说明书附图1，将CCD的输出信号微分后，与延时后的速度给定信号相加得到包含了目标和扰动信息的数据，此数据作为前馈控制器Q1的输入，设计前馈控制Q1，实现跟踪和扰动前馈。其前馈控制设计为如下一阶低通滤波器：
Figure BDA0001814894410000046
其中，T为低通滤波器时间常数，由于该前馈结构会导致相角滞后，为了保证系统有足够的相角裕度，需要把位置控制器调整为0.8Cp(s)，此时T＝6τ，τ为CCD的延时。
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)通过频率响应测试仪测出系统的速度开环对象模型，由于精度很高，控制器中设计过程中可以认为Gv(s)和
Figure BDA0001814894410000047
近似相等：
Figure BDA0001814894410000048
(2)通过速度模型，可以分别设计出速度、位置控制器，其中速度控制器设计为：
Figure BDA0001814894410000049
(3)当实现速度位置双闭环以后，设计前馈控制器Q1为：
Figure BDA00018148944100000410
(4)在相同实验条件下，在分别单独给定跟踪信号和扰动信号时，对比传统速度位置双环和速度位置双环+前馈结构的残差抑制曲线，如图3是本发明在只有跟踪信号输入时的残差抑制能力对比图。与速度位置双闭环相比，加了前馈以后，在低频的残差抑制能力明显增强，虽然在6Hz左右误差抑制能力稍微不如不加前馈的结构，但是由于目标的运动信息一般集中在低频1Hz以下，因此本发明很好了满足了实际跟踪的需求。如图4是本发明在只有扰动信号输入时的残差抑制能力对比图，与之前的分析一致，前馈结构也显著提升了低频的扰动抑制能力。

Claims (1)

1.一种基于跟踪和扰动前馈的快反镜控制方法，其特征在于，包含步骤如下：
步骤(1)：在快反镜平台的两偏转轴上分别安装光纤陀螺，用以分别测量平台两轴在惯性空间运动的角速度；
步骤(2)：通过频率响应测试仪获取平台的速度对象特性模型
Figure FDA0002967486740000011
由于快反镜的线性度很高，它是真实对象Gv(s)的高度近似 ；
步骤(3)：在得到被控对象速度模型
Figure FDA0002967486740000012
基础上，设计速度控制器Cv(s)实现速度闭环控制，然后在CCD位置环设计位置控制器Cp(s)，实现位置闭环，这样就完成了速度和位置双闭环控制；
步骤(4)：在位置环前向通路中搭建前馈结构，将CCD的输出信号微分后，与延时后的速度给定信号相加得到包含了目标和扰动信息的数据，此数据作为前馈控制器Q1的输入，设计前馈控制Q1，实现跟踪和扰动前馈；
步骤(2)中首先根据快反镜的结构机理对
Figure FDA0002967486740000013
建模如下：
Figure FDA0002967486740000014
其中，包含了微分环节，振荡环节和惯性环节，K为模型增益，
Figure FDA0002967486740000015
为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，Te为电气时间常数，通过频率响应测试仪测量平台的波特响应曲线，调整
Figure FDA0002967486740000016
参数使拟合的曲线和仪器测得的曲线重合，得到平台的速度模型；
步骤(3)中速度控制器Cv(s)补偿振荡环节并补偿速度对象微分，其模型参考如下：
Figure FDA0002967486740000017
其中，Kv为控制器增益，
Figure FDA0002967486740000018
为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，分母中的二次积分用于使补偿后的开环对象特性近似 为一阶积分环节，以保证足够的相角裕度，惯性环节用于滤除高频噪声，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)中的前馈结构实际为低频跟踪前馈和低频扰动前馈的结合体，其输出同时包含了目标和扰动的信息，其前馈控制器Q1设计为如下一阶低通滤波器：
Figure FDA0002967486740000021
其中，T为低通滤波器时间常数，由于该前馈结构会导致相角滞后，为了保证系统有足够的相角裕度，把位置控制器调整为0.8Cp(s)，此时T＝6τ，τ为CCD的延时。
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