CN109164700A - 一种抑制全频扰动的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制全频扰动的控制方法。该方法通过将一个带有新型的Q滤波器的附加控制补偿器插入到原有的反馈控制回路中来抑制望远镜系统中存在的扰动。此外，该方法采用了一种新的方式来设计Q滤波器，即从设计灵敏度函数ESF(s)(ESF(s)＝1‑Q(s))出发，反推出Q滤波器的形式。本发明可以在系统扰动频率能够获取的情况下，对系统存在的扰动实现最佳地较正，使系统误差得到衰减，在很大程度上提高了系统的扰动抑制能力。本发明是在控制算法上对系统结构进行优化，不需要增加额外的器件，节约了成本。同时，该方法思路新颖，结构简单，仅仅依赖于一个低频模型，易于操作和实现，容易得到推广。

Description

一种抑制全频扰动的控制方法
技术领域
本发明属于光电跟踪平台的稳定控制领域，具体涉及一种抑制全频扰动的控制方法，主要用于抑制诸如大型望远镜系统等光电跟踪系统存在的扰动，提高系统的扰动抑制能力。
背景技术
抑制振动已经成为天文望远镜系统中亟需解决的技术难题之一。由于望远镜系统中的扰动不仅分布在中低频区域，系统中的传感器带来的噪声还分布在中高频区域，为了提高整个系统的稳定性，必须有效地抑制扰动。传统的通过插入带有低通滤波器的附加控制器的振动抑制方法主要是用来抑制中低频的扰动，本发明提出一种抑制全频扰动的控制方法来抑制系统干扰，进一步提高系统的稳定性。
发明内容
针对天文望远镜的系统性能会受到振动干扰影响的问题，本发明提出一种抑制全频扰动的控制方法来提高系统性能。
本发明的技术方案：一种抑制全频扰动的控制方法，其步骤如下：
步骤(1)：搭建一个经典的位置反馈控制实验平台，以位置敏感器(PSD)作为位置误差检测原件组成位置反馈回路；
步骤(2)：构建一种基于误差的扰动观测器，将改进的控制补偿器插入已有的反馈控制回路中；
步骤(3)：设计科学合理的灵敏度函数从而产生新的Q滤波器来有效地抑制望远镜中的振动。
其中，本发明采用一种新的方式来设计Q滤波器，即从设计灵敏度函数ESF(s)(ESF(s)＝1-Q(s))出发，反推出Q滤波器的形式。
由于望远镜系统中的扰动不仅分布在中低频区域，系统中的传感器带来的噪声还分布在中高频区域，为了提高整个系统的闭环性能，必须有效地抑制扰动。
因此，本发明针对中低频扰动设计出的灵敏度函数ESF1(s)在复频域(s域)可以表示为以下形式：
其中，QL(s)是一个低通滤波器，a为一个可调参数，并且0<a<1。m、k为正整数,并且m≥3、k≥2。
针对高频扰动设计出的灵敏度函数ESF2(s)在复频域(s域)可以表示为以下形式：
其中，Qn(s)是一个陷波滤波器，n为一个正整数，ζi、αi为两个可调参数，并且0<ζi<1，αi>1，wi为扰动所在频率，i为迭代因子。
结合以上两种灵敏度函数可以得到本发明设计出的灵敏度函数ESF(s)，其在复频域(即s域)的形式可以表示为：
其中，Q(s)是本发明中提出的滤波器，QL(s)是一个低通滤波器，Qn(s)是一个陷波滤波器，m、k、n为正整数,并且m≥3、k≥2。此外a、ζi、αi为可调参数，0<a<1，0<ζi<1，αi>1，wi为扰动所在频率，i为迭代因子。
由此可以得出本发明设计的Q滤波器在复频域(即s域)的形式可以表示为：
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)该方法可以在系统扰动频率已知的情况下，对系统中存在的扰动实现最佳地较正，使系统误差得到衰减，在很大程度上提高了系统的扰动抑制能力。
(2)该方法是在控制算法上对系统结构进行优化，不需要增加额外的器件，节约了成本。
(3)该方法仅仅依赖于一个低频模型，结构简单，易于操作和实现，容易得到推广。
附图说明
图1是经典的反馈控制系统结构框图。
图2是本发明提出的一种抑制全频扰动的控制方法的控制框图。
图3是本设计中的灵敏度函数ESF(s)(1-Q(s))以及产生的新的Q滤波器(Q(s))的波特图。
图4是某一实验平台在传统的比例-积分控制器控制下(PI)、插入传统的带有低通滤波器的附加控制器以及插入本发明中的附加控制器三种情况下的振动对比图。
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2所示的是一种抑制全频扰动的控制方法的控制框图，其中包括位置反馈回路以及附加控制器，采用所述方法提高系统稳定性的具体实现步骤如下：
步骤(1)：根据附图1所示的经典控制结构搭建一个经典反馈控制实验平台，并且该控制系统以位置敏感器(PSD)作为位置误差检测原件组成位置反馈回路；
步骤(2)：根据附图2构建一种基于误差的扰动观测器，将改进的控制补偿器插入已有的反馈控制回路中；
步骤(3)：设计科学合理的灵敏度函数从而产生新的Q滤波器来有效地抑制望远镜中的振动。本发明采用一种新的方式来设计Q滤波器，即从设计灵敏度函数ESF(s)(ESF(s)＝1-Q(s))出发，反推出Q滤波器的形式。
由于望远镜系统中的扰动不仅分布在中低频区域，系统中的传感器带来的噪声还分布在中高频区域，为了提高整个系统的闭环性能，必须有效地抑制扰动。
因此，本发明针对中低频扰动设计出的灵敏度函数ESF1(s)在复频域(s域)可以表示为以下形式：
其中，QL(s)是一个低通滤波器，a为一个可调参数，并且0<a<1。m、k为正整数,并且m≥3、k≥2。
针对高频扰动设计出的灵敏度函数ESF2(s)在复频域(s域)可以表示为以下形式：
其中，Qn(s)是一个陷波滤波器，n为一个正整数，ζi、αi为两个可调参数，并且0<ζi<1，αi>1，wi为扰动所在频率，i为迭代因子。
结合以上两种灵敏度函数可以得到本发明设计出的灵敏度函数ESF(s)，其在复频域(即s域)的形式可以表示为：
其中，Q(s)是本发明中提出的滤波器，QL(s)是一个低通滤波器，Qn(s)是一个陷波滤波器，m、k、n为正整数,并且m≥3、k≥2。此外a、ζi、αi为可调参数，0<a<1，0<ζi<1，αi>1，wi为扰动所在频率，i为迭代因子。
由此可以得出本发明设计的Q滤波器在复频域(即s域)的形式可以表示为：
下面以某一系统为例验证本发明的有效性。
在完成步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)的基础上可以得到本设计中的灵敏度函数ESF(s)(1-Q(s))以及产生的新的Q滤波器(Q(s))的具体形式，其波特图如附图3所示，由此可以看出Q滤波器可以用来抑制全频扰动。将该附加控制器应用于原有的反馈控制回路中的效果与在传统的比例-积分控制器控制下以及插入传统的带有低通滤波器的附加控制器两种情况下的对比效果可以在附图4中看出，传统的比例-积分控制只是对中低频干扰有一定的效果，对高频振动没有效果；当插入传统的带有低通滤波器的附加控制器时可以在传统比例-积分控制的基础上进一步抑制掉约10％的中低频扰动，在高频区域也几乎没有抑制作用；然而当插入本发明中的附加控制器时，系统的扰动抑制能力有了明显的提升，相比于传统的比例-积分控制，采用本发明中的方法可以抑制掉50％的原始误差。充分证明了本发明中提出的方法的优越性和有效性。

Claims (1)

1.一种抑制全频扰动的控制方法，其特征在于：其步骤如下：
步骤(1)：搭建一个经典的位置反馈控制实验平台，以位置敏感器(PSD)作为位置误差检测原件组成位置反馈回路；
步骤(2)：构建一种基于误差的扰动观测器，将改进的控制补偿器插入已有的反馈控制回路中；
步骤(3)：设计科学合理的灵敏度函数从而产生新的Q滤波器来有效地抑制望远镜中的振动；
其中，采用一种新的方式来设计该新的Q滤波器，即从设计灵敏度函数ESF(s)(ESF(s)＝1-Q(s))出发，反推出Q滤波器的形式；
由于望远镜系统中的扰动不仅分布在中低频区域，系统中的传感器带来的噪声还分布在中高频区域，为了提高整个系统的闭环性能，必须有效地抑制扰动；
因此，针对中低频扰动设计出的灵敏度函数ESF1(s)在复频域(s域)可以表示为以下形式：
其中，QL(s)是一个低通滤波器，a为一个可调参数，并且0<a<1；m、k为正整数,并且m≥3、k≥2；
针对高频扰动设计出的灵敏度函数ESF2(s)在复频域(s域)可以表示为以下形式：
其中，Qn(s)是一个陷波滤波器，n为一个正整数，ζi、αi为两个可调参数，并且0<ζi<1，αi>1，wi为扰动所在频率，i为迭代因子；
结合以上两种灵敏度函数可以得到一个新的灵敏度函数ESF(s)，其在复频域(即s域)的形式可以表示为：
其中，Q(s)是一个新的滤波器，QL(s)是一个低通滤波器，Qn(s)是一个陷波滤波器，m、k、n为正整数,并且m≥3、k≥2；此外a、ζi、αi为可调参数，0<a<1，0<ζi<1，αi>1，wi为扰动所在频率，i为迭代因子；
由此可以得出所述的新的Q滤波器在复频域(即s域)的形式可以表示为：
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