CN110032074A - 一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法，用于针对控制系统稳定平台低频和中频扰动抑制能力不足，无法满足更高精度稳定控制系统需求的问题。本方法在多闭环控制基础上，对传统扰动观测器设计进行了改进，提出了双路前馈扰动观测器结构的双补偿器设计方法。本发明先从系统稳定性出发对双补偿器设计提出稳定性约束，在保证系统稳定性的基础上进行分频段扰动抑制设计，用内环扰动前馈回路来抑制低频段扰动，用外环扰动前馈回路来抑制中频段扰动，在双补偿器同时作用下，最终达到同时提升系统低频段和中频段扰动抑制能力的目的，保证了系统的稳定性的同时有效提升了控制系统稳定精度。

Description

一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法
技术领域
本发明属于稳定控制领域，具体的涉及一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法，主要提高系统低频和中频的扰动抑制能力，从而进一步提升运动平台稳定设备的稳定性能。
背景技术
在控制设备中，系统的稳定精度会受到外界扰动的影响，如地面震动，空气流动引起的摄动导致的稳定平台震动。尤其是安装在如飞机，汽车，轮船等运动平台上的稳定设备，会由于安装载体的不规则运动导致稳定平台受到大量宽频段扰动。由于安装载体受到扰动的影响，系统的稳定性能会大幅下降，会降低稳定精度，甚至失去稳定。在控制方法上，传统的控制系统控制策略是采用多闭环控制，以MEMS加速度计，光纤陀螺和图像传感器CCD分别作为加速度、速度和位置传感器来获得稳定平台的动态数据，建立速度、位置双闭环或者加速度、速度、位置三闭环的控制回路来提升系统的稳定性和扰动抑制能力。在此基础上，文献《MEMS Inertial Sensors-Based Multi-Loop Control Enhanced byDisturbance Observation and Compensation for Fast Steering Mirror System》(sensors，Vol(16)，2016)将传统扰动观测器引进到加速度环来进一步提升系统的扰动抑制能力。但是由于传统扰动观测器的结构，其单个扰动前馈回路只能在系统中频段范围内前馈观测到的扰动估计量，使得实际的扰动抑制能力提升效果只在中频段。然而实际控制系统中，外界扰动除了分布在中频段，还有很大一部分分布在低频段。为了增强控制系统的扰动抑制能力，提升系统的稳定精度，需要同时提升系统低频段和中频段的扰动抑制能力。且此文献中缺少系统稳定性分析对扰动观测器的约束，无法有效保证系统的稳定性和扰动抑制能力，因此需要提出对扰动前馈补偿控制器设计的稳定性约束。
发明内容
为提高控制系统稳定平台的扰动抑制能力，满足更高精度稳定控制需求，本发明提出了一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法，本方法在加速度、速度、位置三环闭环后，在加速度环内利用双路前馈扰动观测补偿控制器对外部载体扰动力矩进行观测、估计和补偿，从而抵消外部低频段和中频段的扰动力矩，提升系统低频、中频的扰动抑制能力，进一步提高稳定平台稳定能力。双路前馈扰动观测器主要是有两个前馈补偿节点，外环的前馈到加速度控制器输出的位置，内环的前馈到被控对象的驱动量输入的位置。利用外环前馈补偿控制器来抑制中频段扰动，内环前馈补偿控制器来抑制低频段扰动，同时保证了系统的稳定性。根据数学推算和实验验证，内环和外环同时作用的双路前馈扰动观测器可以很好的同时抑制更多的系统低频段和中频段的外界扰动，提升系统的稳定能力。
为实现本发明的目的，本发明提供一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法，其方法步骤如下：
步骤(1)：在控制稳定平台的两偏转轴上分别安装陀螺和加速度计，用以分别敏感平台两轴在惯性空间运动的角速度和角加速度。这里的速度和加速度的采样频率一般较高，用以实现高带宽内环。将控制稳定平台的光信号送到图像传感器CCD，获得被控对象的位置信号，其采样频率较低；
步骤(2)：由于控制系统是一个线性系统，通过频率响应测试仪DSA可对平台的加速度频率对象特性进行测试。DSA输入为驱动器输入值，DSA输出为加速度计采样值。高采样率可获得较高精度的加速度对象模型
步骤(3)：在获取到对象模型基础上，设计加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环，然后设计速度控制器Cv(s)实现速度反馈闭环，最后设计位置控制器Cp(s)和位置闭环，这样就实现了传统的三环闭环控制；
步骤(4)：在加速环内添加被控对象的数学模型 是控制稳定平台的测量对象模型，是真实对象模型Ga(s)的高精度逼近。加速度计输出还包含了外界扰动的影响，将加速度计输出量与数学模型输出量做差，得到的差值被认为是观测到的外界扰动量的估计量；
其中，加速环被控对象的数学模型有纯微分环节存在如下：
上式中s2为两个纯微分环节组成的双微分环节，K为比例常数，ωn为二阶震荡环节的无阻尼固有频率，ζ二阶震荡环节的阻尼比，Te为一阶惯性环节的常数。
步骤(5)：进行双路前馈扰动观测器的内环前馈补偿控制器Cf1(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；
其中，内环前馈补偿控制器Cf1(s)的稳定性约束条件如下：
上式中是满足的复数点。
步骤(6)：进行双路前馈扰动观测器的外环前馈补偿控制器Cf2(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；
其中，外环前馈补偿控制器Cf2(s)的稳定性约束条件如下：
步骤(7)：设计双路前馈扰动观测器的内环前馈补偿控制器Cf1(s)，将低频段的外界扰动估计量反相前馈到驱动回路，抵消低频段外界扰动的影响；
其中，内环前馈补偿控制器Cf1(s)初步设计如下：
上式中K1为前馈补偿控制器Cf1(s)的比例常数。再因为内环前馈补偿控制器Cf1(s)的稳定性约束条件，将上式中的积分环节全部替换为一阶惯性环节，最终设计内环前馈补偿控制器Cf1(s)如下：
其中n为正常数，且满足n远小于K1，用于提升系统低频段的扰动抑制能力，K1不能过大，否则系统稳定性会被削弱。
步骤(8)：设计双路前馈扰动观测器的外环前馈补偿控制器Cf2(s)，将中频段的外界扰动估计量反相前馈到驱动回路，抵消中频段外界扰动的影响；
其中，外环前馈补偿控制器Cf2(s)设计如下：
上式中K2为外环前馈补偿控制器Cf2(s)的惯性环节常数。再因为外环前馈补偿控制器Cf2(s)的稳定性约束条件，将上式中的积分环节全部替换为一阶惯性环节，最终设计外环前馈补偿控制器Cf2(s)如下：
其中n为正常数，且满足n远小于K2，K2可以取较大的值，用于提升系统中频段的扰动抑制能力，且外环前馈补偿控制器Cf2(s)的稳定性约束条件约束性更强，较大的值K2不会削弱系统稳定性。
步骤(9)：在加速度、速度、位置三闭环的基础上，同时使用双路扰动前馈回路和双补偿器，构成双路前馈扰动观测器，将低频段和中频段的扰动估计量分别反相前馈到控制回路，同时增强系统低频段和中频段的扰动抑制能力。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)相对三闭环与传统扰动观测器结合的控制方法，本发明对扰动观测器的结构进行改进，提出双路扰动估计量同时前馈的双路前馈扰动观测器，使其能在外环扰动观测器作用下提升系统中频段扰动抑制能力，内环扰动观测器作用下提升系统低频段扰动抑制能力；
(2)本发明对引入双路前馈扰动观测器进行了稳定性约束，这是传统扰动观测器方法中缺乏考虑的，在设计双补偿器时确保了本发现不影响系统的稳定性；
(3)因为双补偿器设计扰动抑制能力时分别针对不同的频段，其扰动抑制效果可以线性叠加，双补偿器的设计互不影响，且与传统三闭环的加速度、速度、位置控制器解耦，不影响三闭环本来的设计，实用性好，易于实现，效果明显；
(4)本发明思路清晰，结构简单，是从算法层面提升系统的扰动抑制能力，不需要单独添加硬件，节约了成本，可很好地发挥优势。
附图说明
图1是本发明的一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法的控制框图。
图2是本发明被引入到传统三闭环后提升的扰动抑制能力的频域对比图。
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1所示是一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法的控制框图，其中包括双路前馈扰动观测补偿控制器的双扰动前馈回路、加速度回路、速度回路、位置回路；利用双路前馈扰动观测器内外环同时补偿外界扰动的控制方法和传统的三闭环控制方法相结合，进一步对不同频段的扰动量进行观测、估计和反相前馈，从而提高系统低频段和中频段的扰动抑制能力。采用所述装置实现前馈控制方法的具体实施步骤如下：
步骤(1)：在控制稳定平台的两偏转轴上分别安装陀螺和加速度计，用以分别敏感平台两轴在惯性空间运动的角速度和角加速度。这里的速度和加速度的采样频率一般较高，用以实现高带宽内环。将控制稳定平台的光信号送到图像传感器CCD，获得被控对象的位置信号，其采样频率较低；
步骤(2)：由于控制系统是一个线性系统，通过频率响应测试仪DSA可对平台的加速度频率对象特性进行测试。DSA输入为驱动器输入值，DSA输出为加速度计采样值。高采样率可获得较高精度的加速度对象模型
步骤(3)：在获取到对象模型基础上，设计加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环，然后设计速度控制器Cv(s)实现速度反馈闭环，最后设计位置控制器Cp(s)和位置闭环，这样就实现了传统的三环闭环控制；
步骤(4)：在加速环内添加被控对象的数学模型 是控制稳定平台的测量对象模型，是真实对象模型Ga(s)的高精度逼近。加速度计输出还包含了外界扰动的影响，将加速度计输出量与数学模型输出量做差，得到的差值被认为是观测到的外界扰动量的估计量；
其中，加速环被控对象的数学模型有纯微分环节存在如下：
上式中s2为两个纯微分环节组成的双微分环节，K为比例常数，ωn为二阶震荡环节的无阻尼固有频率，ζ二阶震荡环节的阻尼比，Te为一阶惯性环节的常数。
步骤(5)：进行双路前馈扰动观测器的内环前馈补偿控制器Cf1(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；
其中，内环前馈补偿控制器Cf1(s)的稳定性约束条件如下：
上式中是满足的复数点。
步骤(6)：进行双路前馈扰动观测器的外环前馈补偿控制器Cf2(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；
其中，外环前馈补偿控制器Cf2(s)的稳定性约束条件如下：
步骤(7)：设计双路前馈扰动观测器的内环前馈补偿控制器Cf1(s)，将低频段的外界扰动估计量反相前馈到驱动回路，抵消低频段外界扰动的影响；
其中，内环前馈补偿控制器Cf1(s)初步设计如下：
上式中K1为前馈补偿控制器Cf1(s)的比例常数。再因为内环前馈补偿控制器Cf1(s)的稳定性约束条件，将上式中的积分环节全部替换为一阶惯性环节，最终设计内环前馈补偿控制器Cf1(s)如下：
其中n为正常数，且满足n远小于K1，用于提升系统低频段的扰动抑制能力，K1不能过大，否则系统稳定性会被削弱。
步骤(8)：设计双路前馈扰动观测器的外环前馈补偿控制器Cf2(s)，将中频段的外界扰动估计量反相前馈到驱动回路，抵消中频段外界扰动的影响；
其中，外环前馈补偿控制器Cf2(s)设计如下：
上式中K2为外环前馈补偿控制器Cf2(s)的惯性环节常数。再因为外环前馈补偿控制器Cf2(s)的稳定性约束条件，将上式中的积分环节全部替换为一阶惯性环节，最终设计外环前馈补偿控制器Cf2(s)如下：
其中n为正常数，且满足n远小于K2，K2可以取较大的值，用于提升系统中频段的扰动抑制能力，且外环前馈补偿控制器Cf2(s)的稳定性约束条件约束性更强，较大的值K2不会削弱系统稳定性。
步骤(9)：在加速度、速度、位置三闭环的基础上，同时使用双路扰动前馈回路和双补偿器，构成双路前馈扰动观测器，将低频段和中频段的扰动估计量分别反相前馈到控制回路，同时增强系统低频段和中频段的扰动抑制能力。
下面以一控制系统稳定平台实验系统为例对本发明的设计过程和效果进行详细说明：
(1)通过频率响应测试仪测出系统的加速度传递函数模型为，在设计过程中可认为Ga(s)和近似相等：
(2)通过加速度对象模型可以此设计出加速度、速度、位置控制器如下：
(3)在实现传统三环闭环控制后，设计内环前馈补偿控制器Cf1(s)为：
(4)在实现传统三环闭环控制后，设计外环的前馈补偿控制器Cf2(s)为：
(5)如图2是本发明引入到传统三闭环后的扰动抑制能力频域对比图。与传统三闭环方法相比，可以明确看出双路前馈扰动观测器可以同时有力地提高系统低频段和中频段扰动抑制能力，非常适合大量扰动存在于低频段和中频段的真实环境。

Claims (7)

1.一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法，其特征在于：其具体实施步骤如下：
步骤(1)：在控制稳定平台的两偏转轴上分别安装陀螺和加速度计，用以分别敏感平台两轴在惯性空间运动的角速度和角加速度；将控制稳定平台的光信号送到图像传感器CCD，获得被控对象的位置信号；
步骤(2)：通过频率响应测试仪DSA可对平台的加速度频率对象特性进行测试，DSA输入为控制器输出值，DSA输出为加速度计采样值，从而可获得较高精度的加速度对象模型
步骤(3)：在获取到对象模型基础上，设计加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环，然后设计速度控制器Cv(s)实现速度反馈闭环，最后设计位置控制器Cp(s)和位置闭环，这样就实现了传统的三环闭环控制；
步骤(4)：在加速环内添加被控对象的数学模型是控制稳定平台的测量对象模型，是真实对象模型Ga(s)的高精度逼近；加速度计输出还包含了外界扰动的影响，将加速度计输出量与数学模型输出量做差，得到的差值被认为是观测到的外界扰动量的估计量；
步骤(5)：进行双路前馈扰动观测器的内环前馈补偿控制器Cf1(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；
步骤(6)：进行双路前馈扰动观测器的外环前馈补偿控制器Cf2(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；
步骤(7)：设计双路前馈扰动观测器的内环前馈补偿控制器Cf1(s)，将低频段的外界扰动估计量反相前馈到驱动回路，抵消低频段外界扰动的影响；
步骤(8)：设计双路前馈扰动观测器的外环前馈补偿控制器Cf2(s)，将中频段的外界扰动估计量反相前馈到驱动回路，抵消中频段外界扰动的影响；
步骤(9)：在加速度、速度、位置三闭环的基础上，同时使用双路扰动前馈回路和双补偿器，构成双路前馈扰动观测器，将低频段和中频段的扰动估计量分别反相前馈到控制回路，同时增强系统低频段和中频段的扰动抑制能力。
2.根据权利要求1所述的一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法，其特征在于：步骤(4)中加速环被控对象的数学模型有纯微分环节存在如下：
其中s2为两个纯微分环节组成的双微分环节，K为比例常数，ωn为二阶震荡环节的无阻尼固有频率，ζ二阶震荡环节的阻尼比，Te为一阶惯性环节的常数。
3.根据权利要求2所述的一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法，其特征在于：步骤(5)中内环前馈补偿控制器Cf1(s)的稳定性约束条件如下：
其中是满足的复数点。
4.根据权利要求3所述的一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法，其特征在于：步骤(6)中外环前馈补偿控制器Cf2(s)的稳定性约束条件如下：
5.根据权利要求4所述的一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法，其特征在于：步骤(7)中内环前馈补偿控制器Cf1(s)初步设计如下：
其中为加速环被控对象的数学模型的逆，K1为前馈补偿控制器Cf1(s)的比例常数；
再根据所述的加速环被控对象的数学模型有纯微分环节存在，和所述的内环前馈补偿控制器Cf1(s)的稳定性约束条件，将上式中的积分环节全部替换为一阶惯性环节，最终设计内环前馈补偿控制器Cf1(s)如下：
其中n为正常数，且满足n远小于K1，用于提升系统低频段的扰动抑制能力，K1不能过大，否则系统稳定性会被削弱。
6.根据权利要求5所述的一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法，其特征在于：步骤(8)中外环前馈补偿控制器Cf2(s)设计如下：
其中K2为外环前馈补偿控制器Cf2(s)的惯性环节常数；
再根据所述的加速环被控对象的数学模型有纯微分环节存在，和所述的外环前馈补偿控制器Cf2(s)的稳定性约束条件，将上式中的积分环节全部替换为一阶惯性环节，最终设计外环前馈补偿控制器Cf2(s)如下：
其中n为正常数，且满足n远小于K2，K2可以取较大的值，用于提升系统中频段的扰动抑制能力，且外环前馈补偿控制器Cf2(s)的稳定性约束条件约束性更强，较大的值K2不会削弱系统稳定性。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种双路前馈扰动观测器的双补偿器设计方法，其特征在于：同时设计并使用内环前馈补偿控制器Cf1(s)和外环前馈补偿控制器Cf2(s)，且充分考虑了系统的稳定性和提升系统的扰动抑制能力，双补偿器组成双路前馈扰动观测器结构，由外环前馈补偿控制器Cf2(s)提升系统中频段的扰动抑制能力，内环前馈补偿控制器Cf1(s)提升系统低频段的扰动抑制能力，最终达到同时提升系统低频段和中频段扰动抑制能力的目的。
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