CN109752954A - 一种航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法，包括步骤：S1、采用二阶跟踪微分器处理机构对象的位置输入指令并产生指令的微分信号，根据微分信号形成速度输入前馈量；速度输入前馈量与位置控制律组合产生速度内环参考输入量；S2、根据机构对象的转动惯量参数和电机参数建立对象数学模型；对象数学模型为包含扰动的输出传递函数，根据输出传递函数得出机构对象的状态方程；S3、根据已知信息建立对象的三阶线性扩张状态观测器，并根据内环参考输入量和观测器估计的机构速度信号、加速度信号和总扰动量，计算出加速度补偿量和速度误差，根据速度误差计算出速度校正结果；S4、进行总扰动量饱和抑制；S5、生成电机控制量。

Description

一种航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法

技术领域

本发明属于光电稳定平台控制技术领域，尤其涉及一种航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法。

背景技术

自抗扰控制技术是韩京清研究员于20世纪末提出的一种新型控制技术，并于2009年出版专著《自抗扰控制技术——估计补偿不确定因素的控制技术》，对该技术进行了系统阐述，其核心思想是将系统的内扰和外扰看作总扰动采用扩张状态观测器进行估计并补偿，在工程应用上具有重要意义。高志强教授在2003年提出采用带宽参数化方法设计线性扩张状态观测器和控制器，大大简化了该技术在工程实现和参数整定上的难度。目前，自抗扰控制技术在电力、航空航天、机器人控制等很多领域进行了应用验证。

航空相机在工作过程中，受光学系统视场限制，需要采用扫描机构的运动来实现扩大地面成像覆盖范围的目的。根据实际需要，扫描机构的运动方式可以采用位置步进或速度扫描的方式。本发明主要针对以位置步进方式工作的航空相机扫描机构。目前，扫描机构的伺服控制大多采用经典PID控制或基于经典PID控制的多阶超前滞后方法，随着航空相机性能要求越来越高，这些方法也越来越难以满足相机对扫描机构的高性能要求。这种性能缺陷表现在以下几点：为实现系统性能采用高增益带来的较大超调；为消除静差引入的积分环节给系统带来的响应滞后和超调；多阶超前滞后方法参数相互耦合整定复杂，参数对负载变化较敏感，鲁棒性差。针对以上这些缺陷，本发明能够改善航空相机扫描机构的动态性能，提高系统响应的快速性，并使响应低超调或无超调，降低系统性能对控制器增益的高要求，并能保证机构对位置输入量的无静差跟踪性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法，以解决现有技术中采用高增益带来的较大超调、引入的积分环节给系统带来的响应滞后和超调、多阶超前滞后方法参数相互耦合整定复杂，参数对负载变化较敏感，鲁棒性差的问题。

本发明提供了一种航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法，包括步骤：S1、采用二阶跟踪微分器处理机构对象的位置输入指令并产生指令的微分信号，设定前置反馈系数K_F，根据所述微分信号形成速度输入前馈量；所述速度输入前馈量与位置控制律组合产生速度内环参考输入量；S2、根据所述机构对象的转动惯量参数和电机参数建立对象数学模型，提取所述对象数学模型中的已知信息；所述对象数学模型为包含扰动的输出传递函数，所述机构对象根据所述输出传递函数得出所述机构对象的状态方程；S3、根据所述已知信息建立所述对象的三阶线性扩张状态观测器，并将所述三阶线性扩张状态观测器置于速度内环反馈通道，并根据所述内环参考输入量和观测器估计的机构速度信号、加速度信号和总扰动量，根据设定的加速度补偿系数K_A，计算出加速度补偿量和速度误差，根据所述速度误差计算出速度校正结果；S4、对所述三阶线性扩张状态观测器的扰动量进行扰动量进行饱和抑制；S5、根据所述总扰动量及其饱和抑制结果、所述加速度补偿量、所述速度校正结果，生成电机控制量，根据所述电机控制量控制所述航空相机扫描机构执行位置步进动作。

在本发明的一实施例中，所述步骤S1中，所述二阶跟踪微分器的形式为：

u＝fhan(x₁,x₂,r,T)

其中，x₁是对输入指令角θ₀的跟踪量θ，x₂是跟踪量的微分信号跟踪量θ作为实际的位置参考输入，与位置传感器测量值之差为位置实时误差e_A。

在本发明的一实施例中，产生所述速度内环参考输入量包括步骤：位置控制采用非线性比例生成速度内环的参考输入v₁；

其中，非线性误差的计算公式为位置比例增益为K_P，速度参考输入v₁＝K_P×fal(e_A,α,δ)；

微分信号通过比例环节K_F构成速度输入前馈量参考输入v₂，速度回路总的参考输入值为

在本发明的一实施例中，所述步骤S2中，所述机构对象包含扰动的所述输出传递函数为：

其中，T_e为电机电磁时间常数，T_m为扫描机构对象的机电时间常数，K_b为电机反电势系数，J为电机与负载转动惯量总和。

所述输出传递函数的微分方程为：

令

其中，

令将所述输出传递函数的微分方程简化为：

其中，f₁为所述机构对象的已知信息，f₂为与所述已知信息之外的未知信息；

根据所述输出传递函数的微分方程得出所述机构对象的状态方程：

其等效形式为

其中，

在本发明的一实施例中，所述步骤S3中，所述三阶线性扩张状态观测器形式为：

对所述三阶线性扩张状态观测器形式离散后形成的形式为：

其中，L为所述三阶线性扩张状态观测器的增益矩阵；e_V为速度误差，T为控制器采样周期，ω_o为扩张状态观测器的带宽参数，b₀为扰动补偿系数，其初始值为电机力矩系数与电机和负载总转动惯量的商。

在本发明的一实施例中，所述步骤S4中，进行抗扰动量饱和抑制的方法为：

其中，A为饱和抑制的赋值，z₃为所述三阶线性扩张状态观测器输出的所述总扰动量的估计值。

在本发明的一实施例中，所述步骤S5中，所述电机控制量为：

其中，K_V为速度回路比例增益，K_A为加速度补偿系数，z₁、z₃、z₃分别为所述三阶线性扩张状态观测器观测的所述速度估计值、加速度估计值和所述总扰动量，u₁为速度校正输出量，b₀为扰动补偿系数。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

减少了对象的不确定性，同时在控制回路中引入了速度前馈和加速度补偿信息，对估计的总扰动量进行饱和抑制，位置回路采用非线性比例控制，速度回路采用比例控制，能够提高航空相机扫描机构在步进过程中的控制性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1显示为本发明的航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法的结构方框示意图；

图2显示为本发明中扫描机构的10°位置阶跃响应曲线示意图；

图3显示为本发明中扫描机构小角度连续进行位置步进的曲线示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1至图3所示，本发明采用二阶跟踪微分器处理机构位置输入指令并产生指令的微分信号，并根据微分信号形成速度输入前馈量；提取机构对象数学模型中的已知信息；采用基于部分已知信息模型的三阶线性扩张状态观测器估计机构速度信号、加速度信号和总扰动量，并对总扰动量进行饱和抑制；根据扩张状态观测器加速度估计结果产生加速度补偿量；根据速度控制律产生的控制量、扩张状态观测器估计的总扰动量、加速度补偿量组合生成电机控制量。本发明中涉及的控制方法，利用了已知的部分模型参数，估计未知动态影响，能够使航空相机扫描机构在进行位置步进动作时快速无超调无静差跟踪位置输入信号。本发明具体的运转逻辑结构参见图1，航空相机扫描机构以永磁直流力矩电机作为执行元件，由永磁直流力矩电机驱动，工作于位置步进方式，控制回路包括速度内环路和位置外环路，采用了角位置传感器和角速度传感器。以光电编码器作为角位置反馈传感器，以速率陀螺作为角速度传感器。进而能够改善航空相机扫描机构的动态性能，提高系统响应的快速性，并使响应低超调或无超调，降低系统性能对控制器增益的高要求，并能保证机构对位置输入量的无静差跟踪性能。

本发明提供了一种航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法，包括步骤：

S1、采用二阶跟踪微分器处理机构对象的位置输入指令并产生指令的微分信号，设定前置反馈系数K_F，根据所述微分信号形成速度输入前馈量；所述速度输入前馈量与位置控制律组合产生速度内环参考输入量；

在本发明的一实施例中，所述二阶跟踪微分器的形式为：

u＝fhan(x₁,x₂,r,T)

其中，x₁是对输入指令角θ₀的跟踪量θ，x₂是跟踪量的微分信号跟踪量θ作为实际的位置参考输入，与位置传感器测量值之差为位置实时误差e_A。例如，r取值为4000，系统的采样周期T取值为0.001s。

进一步地，产生所述速度内环参考输入量包括步骤：

位置控制采用非线性比例生成速度内环的参考输入v₁；

其中，非线性误差的计算公式为位置比例增益为K_P，速度参考输入v₁＝K_P×fal(e_A,α,δ)；K_P的整定结果为70，α的整定结果为0.7，δ的整定结果为0.25。

微分信号通过比例环节K_F构成速度输入前馈量参考输入v₂，速度回路总的参考输入值为此时，K_F的整定结果为0.1。

S2、根据所述机构对象的转动惯量参数和电机参数建立对象数学模型，提取所述对象数学模型中的已知信息；所述对象数学模型为包含扰动的输出传递函数，所述机构对象根据所述输出传递函数得出所述机构对象的状态方程；

在一实施例中，所述机构对象包含扰动的所述输出传递函数为：

对于机构对象及执行电机，电机的反电势系数K_b＝0.573V/(rad/s)，力矩系数K_m＝0.55N·m/A，电机与负载总惯量J＝0.07kg·m²，电枢电阻R＝2.4Ω，电感L＝0.005H，则电机

所述输出传递函数的微分方程为：

令

其中，

令将所述输出传递函数的微分方程简化为：

其中，f₁为所述机构对象的已知信息，f₂为与所述已知信息之外的未知信息；

根据所述输出传递函数的微分方程得出所述机构对象的状态方程：

其等效形式为

其中，本实施例中，b₀初始估计值为

S3、根据所述已知信息建立所述对象的三阶线性扩张状态观测器，并将所述三阶线性扩张状态观测器置于速度内环反馈通道，并根据所述内环参考输入量和观测器估计的机构速度信号、加速度信号和总扰动量，根据设定的加速度补偿系数K_A，计算出加速度补偿量和速度误差，根据所述速度误差计算出速度校正结果；

本发明的一实施例中，所述三阶线性扩张状态观测器形式为：

对所述三阶线性扩张状态观测器形式离散后形成的形式为：

其中，e_V为速度误差，T为控制器采样周期，本实施例中实际值为0.001s；ω_o为扩张状态观测器的带宽参数，整定结果为200；b₀为扰动补偿系数，实际整定值为16。根据以上参数整定结果，所述三阶线性扩张状态观测器的增益矩阵

S4、对所述三阶线性扩张状态观测器的扰动量进行抗扰动量饱和抑制；进一步地，进行抗扰动量饱和抑制的方法为：

其中，A为饱和抑制的赋值，z₃为所述三阶线性扩张状态观测器输出的所述总扰动量的估计值。此时，A的整定结果为1000000。

S5、根据所述总扰动量、所述加速度补偿量、所述速度校正结果和所述饱和抑制结果生成电机控制量，根据所述电机控制量控制所述航空相机扫描机构执行位置步进动作。在一实施例中，所述电机控制量为：

其中，K_V为速度回路比例增益，K_A为加速度补偿系数，z₁、z₃、z₃分别为所述三阶线性扩张状态观测器观测的所述速度估计值、加速度估计值和所述总扰动量。在上述实施例中，K_V的整定结果为19000，K_A的整定结果为4.5。

根据本发明的设计结果和参数整定结果，对航空相机扫面机构进行控制试验，其中，扫描机构的10°位置阶跃响应曲线见图2，小角度连续进行位置步进的曲线见图3。由此可见，本发明提供的控制方法具有响应快、无超调、无静差的优点。

综上所述，本发明的航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法，减少了对象的不确定性，同时在控制回路中引入了速度前馈和加速度补偿信息，对估计的总扰动量进行饱和抑制，位置回路采用非线性比例控制，速度回路采用比例控制，能够提高航空相机扫描机构在步进过程中的控制性能。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法，其特征在于，包括步骤：

S1、采用二阶跟踪微分器处理机构对象的位置输入指令并产生指令的微分信号，设定前置反馈系数K_F，根据所述微分信号形成速度输入前馈量；所述速度输入前馈量与位置控制律组合产生速度内环参考输入量；

S2、根据所述机构对象的转动惯量参数和电机参数建立对象数学模型，提取所述对象数学模型中的已知信息；所述对象数学模型为包含扰动的输出传递函数，所述机构对象根据所述输出传递函数得出所述机构对象的状态方程；

S3、根据所述已知信息建立所述对象的三阶线性扩张状态观测器，并将所述三阶线性扩张状态观测器置于速度内环反馈通道，并根据所述内环参考输入量和观测器估计的机构速度信号、加速度信号和总扰动量，根据设定的加速度补偿系数K_A，计算出加速度补偿量和速度误差，根据所述速度误差计算出速度校正结果；

S4、对所述三阶线性扩张状态观测器的总扰动量进行饱和抑制；

S5、根据所述总扰动量及其饱和抑制结果、所述加速度补偿量、所述速度校正结果，生成电机控制量，根据所述电机控制量控制所述航空相机扫描机构执行位置步进动作。

2.根据权利要求1所述的航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述二阶跟踪微分器的形式为：

u＝fhan(x₁,x₂,r,T)

其中，x₁是对输入指令角θ₀的跟踪量θ，x₂是跟踪量的微分信号跟踪量θ作为实际的位置参考输入，与位置传感器测量值之差为位置实时误差e_A。

3.根据权利要求2所述的航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法，其特征在于，产生所述速度内环参考输入量包括步骤：

位置控制采用非线性比例生成速度内环的参考输入v₁；

其中，非线性误差的计算公式为位置比例增益为K_P，速度参考输入v₁＝K_P×fal(e_A,α,δ)；

微分信号通过比例环节K_F构成速度输入前馈量参考输入v₂，速度回路总的参考输入值为

4.根据权利要求3所述的航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述机构对象包含扰动的所述输出传递函数为：

其中，T_e为电机电磁时间常数，T_m为扫描机构对象的机电时间常数，K_b为电机反电势系数，J为电机与负载转动惯量总和；

所述输出传递函数的微分方程为：

令

其中，

令将所述输出传递函数的微分方程简化为：

其中，f₁为所述机构对象的已知信息，f₂为与所述已知信息之外的未知信息；

根据所述输出传递函数的微分方程得出所述机构对象的状态方程：

其等效形式为

其中，

5.根据权利要求4所述的航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述三阶线性扩张状态观测器形式为：

对所述三阶线性扩张状态观测器形式离散后形成的形式为：

根据权利要求3所述的机构对象模型，将所述三阶线性扩张状态观测器的三重极点配置在-ω_o处，可求得L为所述三阶线性扩张状态观测器的增益矩阵；e_V为速度误差，T为控制器采样周期，ω_o为扩张状态观测器的带宽参数，b₀为扰动补偿系数，其初始值为电机力矩系数与电机和负载总转动惯量的商。

6.根据权利要求5所述的航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，进行总扰动量饱和抑制的方法为：

其中，A为饱和抑制的幅值，z₃为所述三阶线性扩张状态观测器输出的所述总扰动量的估计值。

7.根据权利要求6所述的航空相机扫描机构位置步进自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述电机控制量为：

其中，K_V为速度回路比例增益，K_A为加速度补偿系数，z₁、z₃、z₃分别为所述三阶线性扩张状态观测器观测的所述速度估计值、加速度估计值和所述总扰动量，u₁为速度校正输出量，b₀为扰动补偿系数。