CN108919836B - 一种运动平台光电跟踪系统全频段扰动解耦方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种运动平台光电跟踪系统全频段扰动解耦方法，主要用于解耦跟踪机架陀螺信号中的目标运动信息和扰动信息，估计出粗稳定之后剩余的全频段扰动信息。在跟踪机架方位轴和俯仰轴上分别安装角速率陀螺A和E，机架速度回路采用陀螺反馈闭环构成粗稳定，整个粗稳定回路的模型记为
Figure DDA0001720273770000011
将目标角速度同时作为机架粗稳定回路的输入和其模型
Figure DDA0001720273770000012
的输入，二者输出之差再乘以低通滤波器得到扰动低频部分d1(s)；将陀螺测量信号乘以高通滤波器得到扰动高频部分d2(s)；将d1(s)和d2(s)相加就得到粗稳定抑制之后的全频段扰动且不包含目标运动信息。本发明不用增加额外的传感器，简单有效，工程容易实现。

Description

一种运动平台光电跟踪系统全频段扰动解耦方法
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光电跟踪系统全频段扰动解耦方法。
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本身的扰动信息前馈控制到快反镜，构成精稳定是一种有效的方法。对于跟踪系统来说，机架惯性传感器会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剩余扰动是精稳定的关键。一般目标运动频率较低，一种常用的扰动解耦方法是采用高通滤波法，此种方法的优点是简单，但是会损失低频部分扰动信息。另外采用扰动观测量进行扰动观测依赖于被控对象模型的准确性，频率越高模型越不准确，难以实现宽频的扰动解耦。
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，提供一种运动平台光电跟踪系统全频段扰动解耦方法，用于解耦机架惯性传感器测量信号中的目标运动信息与扰动信息，实现全频段扰动解耦。
本发明解决上述技术问题提供的技术方案为：一种运动平台光电跟踪系统全频段扰动解耦方法，该方法的步骤如下：
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，测量机架方位轴和俯仰轴在惯性空间角速度，机架方位轴和俯仰轴分别采用角速率陀螺A、角速率陀螺E反馈闭环，构成粗稳定回路，粗稳定回路的闭环特性为：
Figure BDA0001720273750000011
机架输出速度为：
Figure BDA0001720273750000021
其中：G1(s)为粗稳定回路闭环特性；C1(s)为粗稳定回路控制器；P1(s)+△P(s)为真实机架速度特性；P1(s)为机架速度特性模型；△P(s)为机架速度特性模型误差；d(s)为粗稳定抑制之后的剩余扰动；ωout(s)表明陀螺测量信号包含目标运行信息和经过粗稳定抑制之后剩余的扰动信息；
步骤(2)、建立粗稳定回路模型
Figure BDA0001720273750000022
将目标角速度作为机架粗稳定回路的输入，同时送给机架粗稳定回路模型
Figure BDA0001720273750000023
将二者输出相减得到df(s)，再将df(s)乘以低通滤波器FL(s)得到d1(s)，
Figure BDA0001720273750000024
Figure BDA0001720273750000025
其中：ωout(s)为真实机架输出角速度；
Figure BDA0001720273750000026
为机架粗稳定回路模型输出角速度；
Figure BDA0001720273750000027
为机架粗稳定回路模型；ωin(s)为目标角速度；D(s)为外部扰动角速度。由于将跟踪粗稳定回路闭环整体特性当作扰动解耦的被控对象，同时将df(s)乘以低通滤波器，大大降低了机架自身特性变化对扰动解耦精度的影响，即：
Figure BDA0001720273750000028
在低频段一般设计C1(s)P1(s)＞＞1，则
Figure BDA0001720273750000029
d1(s)＝d(s)FL(s)，d1(s)就代表经粗稳定之后剩余扰动的低频部分，且不包含目标运动信息；
步骤(3)、将陀螺测量信号乘以高通滤波器得到d2(s)，d2(s)＝ωout(s)FH(s)＝(G1(s)ωin(s)+d(s))FH(s)，一般目标运动频率很低，即G1(s)ωin(s)FH(s)≈0，则d2(s)＝d(s)FH(s)就代表了经粗稳定之后剩余扰动的高频部分，且不包含目标运动信息。
步骤(4)、将d1(s)和d2(s)相加得到d3(s)，设计FL(s)+FH(s)＝1，d3(s)＝d1(s)+d2(s)＝d(s)FL(s)+d(s)FH(s)＝d(s)，即d3(s)代表经粗稳定抑制之后的剩余扰动，且不包含目标运动信息，实现了对陀螺测量信号的全频段扰动解耦。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明可以实现机架惯性传感器测量信号中目标运动信息和扰动信息的全解耦，得到经粗稳定抑制之后的全频段扰动量；
(2)高、低频段扰动分开解耦，且将机架速度回路闭环整体特性当作低频信号解耦的等效被控对象，大大减小由于机架自身特性变化对扰动解耦精度的影响；
(3)本发明不用增加额外的传感器，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为角速率陀螺E，5为角速率陀螺A。
图2为采用本发明进行扰动解耦控制结构。
图3为图2中机架陀螺速度反馈粗稳定回路的等效结构图。
图4为本发明扰动解耦结果与系统真实结果对比。
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。
图1为本发明运动平台光电跟踪系统结构示意图，包括跟踪机架1、俯仰轴2、方位轴3、角速率陀螺E 4、角速率陀螺A 5。角速率陀螺A安装在跟踪机架方位轴上，用于敏感方位轴在惯性空间角速度，角速率陀螺E安装在俯仰轴上，用于敏感俯仰轴在惯性空间角速度。
图2为采用本发明进行扰动解耦控制结构，图3为图2中机架陀螺速度反馈粗稳定回路的等效结构图；其中，机架速度回路被控对象特性记为P1(s)+△P(s)；机架速度回路控制器记为C1(s)；机架速度闭环回路模型记为
Figure BDA0001720273750000031
高通滤波器记为FH(s)；低通滤波器记为FL(s)；目标角速度记为ωin(s)；机架输出角速度记为ωout(s)；扰动角速度记为D(s)；粗稳定回路模型输出记为
Figure BDA0001720273750000032
部分解耦扰动量记为df(s)；解耦得到的低频扰动信息记为d1(s)；解耦得到的高频扰动信息记为d2(s)；解耦得到的全频段扰动信息记为d3(s)
本发明一种运动平台光电跟踪系统全频段扰动解耦方法，具体步骤如下：
(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。机架速度特性传递函数为：
Figure BDA0001720273750000041
设计机架速度环回路控制器C1(s)为：
Figure BDA0001720273750000042
(2)建立机架速度回路闭环模型
Figure BDA0001720273750000043
设计
Figure BDA0001720273750000044
为：
Figure BDA0001720273750000045
设计滤波器
Figure BDA0001720273750000046
将目标角速度同时输入给机架速度回路和
Figure BDA0001720273750000047
得到二者的输出分别为ωout(s)和
Figure BDA0001720273750000048
由于机架会受到载体扰动的影响，因此机架输出ωout(s)包含目标运动信息和粗稳定剩余扰动信息；而机架速度回路闭环模型是不受外界干扰的，
Figure BDA0001720273750000049
只包含目标运动信息，ωout(s)与
Figure BDA00017202737500000410
之差df(s)理论上就为粗稳定抑制之后的剩余扰动量。d1(s)＝df(s)×FL(s)，为粗稳定抑制之后剩余扰动的低频部分，消除了模型误差对扰动解耦精度的影响。
(3)一般目标运动频率很低，，设计
Figure BDA00017202737500000411
将陀螺测量信号ωout(s)乘以滤波器FH(s)，则d2(s)＝ωout(s)FH(s)＝(G1(s)ωin(s)+d(s))FH(s)＝d(s)FH(s)为粗稳定之后剩余扰动的高频部分。
(4)将d1(s)和d2(s)相加得到d3(s)，d3(s)＝d(s)FL(s)+d(s)FH(s)＝d(s)。
图4为本发明扰动解耦结果与系统真实结果对比；其中扰动角速度到系统输出角速度传递函数曲线就是系统真实输出扰动频谱，扰动角速度到解耦角速度传递函数曲线就是本发明扰动解耦输出频谱。采用本发明解耦机架陀螺信息中的目标运动信息和粗稳定抑制之后的剩余扰动信息，扰动解耦结果如图4所示。从图4可知，本发明实现了全频段扰动解耦，且只在2～10Hz存在1dB以内的微小解耦误差，其它频率处实现精确解耦。解耦结果说明了本发明的有效性。

Claims (1)

1.一种运动平台光电跟踪系统全频段扰动解耦方法，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，测量机架方位轴和俯仰轴在惯性空间角速度，机架方位轴和俯仰轴分别采用角速率陀螺A、角速率陀螺E反馈闭环，构成粗稳定回路，粗稳定回路的闭环特性为：
Figure FDA0002967961830000011
机架输出速度为：
Figure FDA0002967961830000012
即陀螺测量信号包含目标运行信息和扰动信息，其中：G1(s)为粗稳定回路闭环特性；C1(s)为粗稳定回路控制器；P1(s)+ΔP(s)为真实机架速度特性；P1(s)为机架速度特性模型；ΔP(s)为机架速度特性模型误差；d(s)为粗稳定抑制之后的剩余扰动；
步骤(2)、建立粗稳定回路模型
Figure FDA0002967961830000013
Figure FDA0002967961830000014
将目标角速度作为机架粗稳定回路的输入，同时送给机架粗稳定回路模型
Figure FDA0002967961830000015
将二者输出相减得到df(s)，再将df(s)乘以低通滤波器FL(s)得到d1(s)，
Figure FDA0002967961830000016
Figure FDA0002967961830000017
其中：ωout(s)为真实机架输出角速度；
Figure FDA0002967961830000018
为机架粗稳定回路模型输出角速度；
Figure FDA0002967961830000019
为机架粗稳定回路模型；ωin(s)为目标角速度；D(s)为外部扰动角速度；由于将跟踪粗稳定回路闭环整体特性当作扰动解耦的被控对象，同时将df(s)乘以低通滤波器，大大降低了机架自身特性变化对扰动解耦精度的影响，即：
Figure FDA00029679618300000110
在低频段一般设计C1(s)P1(s)＞＞1，则
Figure FDA00029679618300000111
d1(s)＝d(s)FL(s)，d1(s)就代表了经粗稳定之后剩余扰动的低频部分，且不包含目标运动信息；
步骤(3)、将陀螺测量信号乘以高通滤波器得到d2(s)，d2(s)＝ωout(s)FH(s)＝(G1(s)ωin(s)+d(s))FH(s)，一般目标运动频率很低，即G1(s)ωin(s)FH(s)≈0，则d2(s)＝d(s)FH(s)就代表了经粗稳定之后剩余扰动的高频部分，且不包含目标运动信息；
步骤(4)、将d1(s)和d2(s)相加得到d3(s)，设计FL(s)+FH(s)＝1，d3(s)＝d1(s)+d2(s)＝d(s)FL(s)+d(s)FH(s)＝d(s)，即d3(s)代表经粗稳定抑制之后的剩余扰动，且不包含目标运动信息，实现了对陀螺测量信号的全频段扰动解耦；
该方法实现了全频段扰动解耦，且只在2～10Hz存在1dB以内的微小解耦误差，其它频率处实现精确解耦。
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