CN111338215B - 一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法，用于提升惯性稳定平台的扰动抑制能力，以满足更高精度的惯性稳定需求。在惯性回路中，本发明的滤波器一和传统扰动观测器的滤波器一样，受到系统稳定性的约束，其扰动抑制能力被削弱。在滤波器一满足稳定性约束的基础上，结合惯性回路闭环控制器，本发明的滤波器二不受到稳定性约束。因此滤波器二可以用于弥补滤波器一为保证系统稳定性而牺牲的扰动抑制能力，使系统获得更强的扰动抑制能力。本发明在保证系统稳定性的前提下，使用双滤波器充分发挥了扰动观测器的性能，能有效提升系统的扰动抑制能力，使惯性稳定平台获得更高的稳定精度。

Description

一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法
技术领域
本发明属于惯性稳定控制领域，具体的涉及一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法，主要用于抑制系统扰动的影响，进一步提升惯性稳定平台的稳定精度。
背景技术
在惯性稳定设备中，系统的稳定精度会受到外界扰动的影响，地基设备的惯性稳定精度受到地面振动和空气流动引起的振动的影响。安装在飞机，车辆，轮船，卫星等运动平台上的惯性稳定设备，会由于安装载体的不规则运动导致惯性稳定平台受到大量扰动。为了实现更高精度的惯性稳定，惯性稳定平台通常采用多闭环控制方式。《Application ofMEMS Accelerometers and Gyroscopes in Fast Steering Mirror Control Systems》引入惯性加速度计和陀螺作为传感器，构建多个回路同时闭环的控制，实现对扰动的抑制。但是多闭环的控制方法只能在一定范围内提升系统的扰动抑制能力，为了进一步抑制扰动，《MEMS Inertial Sensors-Based Multi-Loop Control Enhanced by DisturbanceObservation and Compensation for Fast Steering Mirror System》将传统扰动观测器引入到多闭环控制的惯性回路。但是惯性回路的传统扰动观测器方法受到系统稳定性的约束，只能在中频段提升系统的扰动抑制能力。当惯性稳定设备安装在运动平台上时，外界的扰动主要分布在低频段和中频段，而低频段的扰动对惯性稳定精度的影响是最明显的，因此同时在低频段和中频段抑制扰动的影响就显得非常重要。为了克服系统稳定性给扰动观测器方法带来的扰动抑制性能约束，同时在低频段和中频段抑制更多的扰动，就需要更有效的扰动观测器方法。
发明内容
为了有效提高惯性稳定平台的惯性稳定精度，抑制更多的外界扰动，本发明提出了一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法。在惯性回路中，本发明的滤波器一和传统扰动观测器的滤波器一样，受到系统稳定性的约束，其扰动抑制能力被削弱。在滤波器一满足稳定性约束的基础上，结合惯性回路闭环控制器，本发明的滤波器二不受到稳定性约束。因此滤波器二可以用于弥补滤波器一为保证系统稳定性而牺牲的扰动抑制能力，使系统获得更强的扰动抑制能力。本发明在保证系统稳定性的前提下，使用双滤波器充分发挥了扰动观测器的性能，能有效提升系统的扰动抑制能力，使惯性稳定平台获得更高的稳定精度。
为实现本发明的目的，本发明提供一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法，其方法步骤如下：
步骤(1)：在惯性稳定平台的两偏转轴上分别安装惯性传感器，可以使用陀螺或加速度计，用来测量平台两轴在惯性空间运动的角速度或角加速度；
步骤(2)：采用加速度计作为传感器时，通过频率响应测试仪DSA对平台的加速度频率对象特性进行测试，DSA输入为驱动输入值，DSA输出为加速度计采样值，从而获得加速度环被控对象Ga(s)的数学模型
Figure BDA0002428472380000021
加速度环被控对象的数学模型可以表示为如下：
Figure BDA0002428472380000022
其中N(s)和D(s)是互质且无不稳定特征根的传递函数，s2表示被控对象的数学模型
Figure BDA0002428472380000023
有2个纯微分环节；
步骤(3)：在获取到对象模型
Figure BDA0002428472380000024
基础上，使用加速度计并设计加速度控制器Ca(s)如下：
Figure BDA0002428472380000025
其中ai和bj是控制器参数，有j-1≥i，控制器Ca(s)中含有一个纯积分环节，可以削弱被控对象Ga(s)中纯微分环节的影响；
步骤(4)：令滤波器二Q2(s)＝0，进行双滤波器扰动观测器的滤波器一Q1(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；滤波器一Q1(s)的稳定性约束条件可以表示为：
Figure BDA0002428472380000026
其中
Figure BDA0002428472380000027
表示被控对象Ga(s)和其数学模型
Figure BDA0002428472380000028
之间的不确定性；
步骤(5)：设计双滤波器扰动观测器方法的滤波器一Q1(s)；令滤波器二Q2(s)＝0，在满足稳定性约束的条件下，滤波器一Q1(s)牺牲部分扰动抑制性能来保证系统的稳定性；设计滤波器一Q1(s)为：
Figure BDA0002428472380000029
其中HP(s)为高通滤波器，n为大于零的常数，且满足
Figure BDA0002428472380000031
步骤(6)：在滤波器一Q1(s)满足其稳定性约束条件的情况下，令滤波器二Q2(s)≠0，进行双滤波器的扰动观测器中滤波器二Q2(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；滤波器二Q2(s)的稳定性约束条件可以表示为：
Figure BDA0002428472380000032
其中EDSA(s)是滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)同时作用给系统带来的扰动抑制能力提升部分，且满足
Figure BDA0002428472380000033
因此在滤波器一Q1(s)满足稳定性约束的条件下，滤波器二Q2(s)和滤波器一Q1(s)共同抑制扰动时，滤波器二Q2(s)不受到系统稳定性约束；
步骤(7)：设计双滤波器扰动观测器方法的滤波器二Q2(s)；令滤波器二Q2(s)≠0，在滤波器一Q1(s)牺牲部分扰动抑制性能来满足稳定性约束的情况下，使用滤波器二Q2(s)补全扰动观测器的扰动抑制能力；设计滤波器二Q2(s)为：
Figure BDA0002428472380000034
其中LP(s)为截止频率高的低通滤波器，用来补足滤波器二Q2(s)的分母阶次，使其成为因果系统；
步骤(8)：在惯性回路单闭环的基础上，使用双滤波器扰动观测器方法，滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)同时作用；在双滤波器扰动观测器的滤波器二Q2(s)＝0时，滤波器一Q1(s)和传统扰动观测器的稳定性约束相同，需要牺牲扰动抑制能力来保证系统的稳定性；双滤波器扰动观测器的滤波器二Q2(s)≠0时，在滤波器一Q1(s)满足稳定性约束的条件下，滤波器二Q2(s)不存在稳定性约束，可以充分发挥灵活性，补全滤波器一Q1(s)为了保证系统稳定性而牺牲的扰动抑制能力，可以为系统带来更多的扰动抑制能力，提升系统的惯性稳定精度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)相比于传统多闭环控制方法，本发明在惯性回路中使用双滤波器的扰动观测器，可以在多闭环的基础上进一步提升系统的扰动抑制能力；
(2)相比于在多闭环中引入传统扰动观测器的控制方法，传统扰动观测器的滤波器受到系统稳定性的约束，本发明中的滤波器二不受到系统稳定性的约束，有更多的灵活性；
(3)相比于在多闭环中引入传统扰动观测器的控制方法，本发明引入了两个滤波器，可以同时用于前馈和抑制扰动；
(4)相比于在多闭环中引入传统扰动观测器的控制方法，本发明的滤波器一虽然受到系统稳定性约束而削弱了部分扰动抑制能力，但是滤波器二不受稳定性约束，可以补全滤波器一牺牲的扰动抑制能力，提升系统的惯性稳定精度。
附图说明
图1是本发明的一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法的控制框图；
图2是本发明与传统扰动观测器方法的扰动抑制能力频域对比图。
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所示是一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法的控制框图，当采用加速度计作为惯性传感器时，双滤波器扰动观测器被用在加速度反馈闭环的惯性回路中；其中aref是加速度输入信号，ad是加速度扰动信号，a是系统的惯性稳定加速度输出；在完成加速度反馈闭环之后，还可以继续构建速度反馈闭环和位置反馈闭环，构成以多闭环为基础的双滤波器扰动观测器控制；在双滤波器扰动观测器方法中，滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)同时前馈并抑制扰动，实现惯性稳定精度的进一步提升。采用所述方法的具体实施步骤如下：
步骤(1)：在惯性稳定平台的两偏转轴上分别安装惯性传感器，可以使用陀螺或加速度计，用来测量平台两轴在惯性空间运动的角速度或角加速度；
步骤(2)：采用加速度计作为传感器时，通过频率响应测试仪DSA对平台的加速度频率对象特性进行测试，DSA输入为驱动输入值，DSA输出为加速度计采样值，从而获得加速度环被控对象Ga(s)的数学模型
Figure BDA0002428472380000041
加速度环被控对象的数学模型可以表示为如下：
Figure BDA0002428472380000042
其中N(s)和D(s)是互质且无不稳定特征根的传递函数，s2表示被控对象的数学模型
Figure BDA0002428472380000043
有2个纯微分环节；
步骤(3)：在获取到对象模型
Figure BDA0002428472380000044
基础上，使用加速度计并设计加速度控制器Ca(s)如下：
Figure BDA0002428472380000051
其中ai和bj是控制器参数，有j-1≥i，控制器Ca(s)中含有一个纯积分环节，可以削弱被控对象Ga(s)中纯微分环节的影响；
步骤(4)：令滤波器二Q2(s)＝0，进行双滤波器扰动观测器的滤波器一Q1(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；滤波器一Q1(s)的稳定性约束条件可以表示为：
Figure BDA0002428472380000052
其中
Figure BDA0002428472380000053
表示被控对象Ga(s)和其数学模型
Figure BDA0002428472380000054
之间的不确定性；
步骤(5)：设计双滤波器扰动观测器方法的滤波器一Q1(s)；令滤波器二Q2(s)＝0，在满足稳定性约束的条件下，滤波器一Q1(s)牺牲部分扰动抑制性能来保证系统的稳定性；设计滤波器一Q1(s)为：
Figure BDA0002428472380000055
其中HP(s)为高通滤波器，n为大于零的常数，且满足
Figure BDA0002428472380000056
步骤(6)：在滤波器一Q1(s)满足其稳定性约束条件的情况下，令滤波器二Q2(s)≠0，进行双滤波器的扰动观测器中滤波器二Q2(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；滤波器二Q2(s)的稳定性约束条件可以表示为：
Figure BDA0002428472380000057
其中EDSA(s)是滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)同时作用给系统带来的扰动抑制能力提升部分，且满足
Figure BDA0002428472380000058
因此在滤波器一Q1(s)满足稳定性约束的条件下，滤波器二Q2(s)和滤波器一Q1(s)共同抑制扰动时，滤波器二Q2(s)不受到系统稳定性约束；
步骤(7)：设计双滤波器扰动观测器方法的滤波器二Q2(s)；令滤波器二Q2(s)≠0，在滤波器一Q1(s)牺牲部分扰动抑制性能来满足稳定性约束的情况下，使用滤波器二Q2(s)补全扰动观测器的扰动抑制能力；设计滤波器二Q2(s)为：
Figure BDA0002428472380000061
其中LP(s)为截止频率高的低通滤波器，用来补足滤波器二Q2(s)的分母阶次，使其成为因果系统；
步骤(8)：在惯性回路单闭环的基础上，使用双滤波器扰动观测器方法，滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)同时作用；在双滤波器扰动观测器的滤波器二Q2(s)＝0时，滤波器一Q1(s)和传统扰动观测器的稳定性约束相同，需要牺牲扰动抑制能力来保证系统的稳定性；双滤波器扰动观测器的滤波器二Q2(s)≠0时，在滤波器一Q1(s)满足稳定性约束的条件下，滤波器二Q2(s)不存在稳定性约束，可以充分发挥灵活性，补全滤波器一Q1(s)为了保证系统稳定性而牺牲的扰动抑制能力，可以为系统带来更多的扰动抑制能力，提升系统的惯性稳定精度。
下面以一惯性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)使用附图1所示的控制框图搭建双滤波器扰动观测器结构，使用加速度计作为惯性传感器，并且进一步构建多闭环控制系统；
(2)通过频率响应测试仪DSA测出系统的加速度环被控对象的数学模型
Figure BDA0002428472380000062
Figure BDA0002428472380000063
(3)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，实现多闭环控制：
Figure BDA0002428472380000064
Figure BDA0002428472380000065
Figure BDA0002428472380000066
(4)令滤波器二Q2(s)＝0，此时本方法的效果与传统扰动观测器方法相同；在满足稳定性约束的条件下，滤波器一Q1(s)设计为：
Figure BDA0002428472380000067
其中高通滤波器HP(s)＝s/(s+200)，常数n＝20；
(5)令滤波器二Q2(s)≠0，滤波器一Q1(s)满足步骤(4)所示的设计，滤波器二Q2(s)被设计为：
Figure BDA0002428472380000071
(6)如图2是本发明与传统扰动观测器方法的扰动抑制能力频域对比图；传统扰动观测器方法和本发明都以多闭环为基础，使用在加速度闭环惯性回路；从图2中可以看出，本发明相比于传统扰动观测器方法，在中频段同样抑制扰动的同时，还可以在低频段抑制更多的扰动，滤波器二Q2(s)补全了滤波器一Q1(s)为了保证系统稳定性而牺牲的扰动抑制能力，从而使系统抑制了更多扰动，可以获得更高的惯性稳定精度。

Claims (7)

1.一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：在惯性稳定平台的两偏转轴上分别安装惯性传感器，包括加速度计，用来测量平台两轴在惯性空间运动的角加速度；
步骤(2)：通过频率响应测试仪DSA对平台的加速度频率对象特性进行测试，DSA输入为驱动输入值，DSA输出为加速度计采样值，从而获得加速度环被控对象Ga(s)的数学模型
Figure FDA0003559744300000011
步骤(3)：在获取到对象模型
Figure FDA0003559744300000012
基础上，使用加速度计并设计加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环；
步骤(4)：令滤波器二Q2(s)＝0，进行双滤波器扰动观测器的滤波器一Q1(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(5)：设计双滤波器扰动观测器方法的滤波器一Q1(s)；令滤波器二Q2(s)＝0，在满足稳定性约束的条件下，滤波器一Q1(s)牺牲部分扰动抑制性能来保证系统的稳定性；具体的，在双滤波器扰动观测器方法的滤波器二Q2(s)＝0，滤波器一Q1(s)满足稳定性约束的条件下，设计滤波器一Q1(s)为：
Figure FDA0003559744300000013
其中HP(s)为高通滤波器，n为大于零的常数，且满足
Figure FDA0003559744300000014
步骤(6)：在滤波器一Q1(s)满足其稳定性约束条件的情况下，令滤波器二Q2(s)≠0，进行双滤波器的扰动观测器中滤波器二Q2(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)：设计双滤波器扰动观测器方法的滤波器二Q2(s)；令滤波器二Q2(s)≠0，在滤波器一Q1(s)牺牲部分扰动抑制性能来满足稳定性约束的情况下，使用滤波器二Q2(s)补全扰动观测器的扰动抑制能力；具体的，在双滤波器扰动观测器的滤波器二Q2(s)≠0时，滤波器一Q1(s)满足稳定性约束的条件，设计滤波器二Q2(s)为：
Figure FDA0003559744300000021
其中LP(s)为截止频率高的低通滤波器，可能被需要用来补足滤波器二Q2(s)的分母阶次，使其成为因果系统；
步骤(8)：在惯性回路单闭环的基础上，使用双滤波器扰动观测器方法，滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)同时作用；滤波器一Q1(s)牺牲了部分性能确保了系统的稳定性，滤波器二Q2(s)在滤波器一Q1(s)的基础上补全了扰动观测器的扰动抑制能力，从而可以抑制更多的扰动，提升系统的惯性稳定精度。
2.根据权利要求1所述的一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法，其特征在于：步骤(1)中使用的是惯性传感器，包括用于测量惯性空间运动速度的陀螺和惯性空间运动加速度的加速度计。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法，其特征在于：步骤(2)中的被控对象是惯性回路的被控对象，其被控对象的数学模型中含有纯微分环节，采用加速度计作为惯性传感器时，被控对象的数学模型可以表示为如下：
Figure FDA0003559744300000022
其中N(s)和D(s)是互质且无不稳定特征根的传递函数，s2表示被控对象的数学模型
Figure FDA0003559744300000023
有2个纯微分环节。
4.根据权利要求1所述的一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法，其特征在于：步骤(3)中加速度闭环的控制器Ca(s)设计为如下形式：
Figure FDA0003559744300000024
其中ai和bj是控制器参数，有j-1≥i，控制器Ca(s)中含有一个纯积分环节，可以削弱被控对象Ga(s)中纯微分环节的影响。
5.根据权利要求1所述的一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法，其特征在于：步骤(4)中双滤波器扰动观测器的滤波器二Q2(s)＝0时，滤波器一Q1(s)的稳定性约束条件可以表示为：
Figure FDA0003559744300000031
其中
Figure FDA0003559744300000032
表示被控对象Ga(s)和其数学模型
Figure FDA0003559744300000033
之间的不确定性。
6.根据权利要求1所述的一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法，其特征在于：步骤(6)中，在双滤波器扰动观测器的滤波器二Q2(s)≠0时，滤波器一Q1(s)满足稳定性约束的条件，滤波器二Q2(s)的稳定性约束条件可以表示为：
Figure FDA0003559744300000034
其中EDSA(s)是滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)同时作用给系统带来的扰动抑制能力提升部分，且满足
Figure FDA0003559744300000035
因此在滤波器一Q1(s)满足稳定性约束的条件下，滤波器二Q2(s)和滤波器一Q1(s)共同抑制扰动时，滤波器二Q2(s)不受到系统稳定性约束。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法，其特征在于：在双滤波器扰动观测器的滤波器二Q2(s)＝0时，滤波器一Q1(s)和传统扰动观测器的稳定性约束相同，需要牺牲扰动抑制能力来保证系统的稳定性；双滤波器扰动观测器的滤波器二Q2(s)≠0时，在滤波器一Q1(s)满足稳定性约束的条件下，滤波器二Q2(s)不存在稳定性约束，可以充分发挥灵活性，补全滤波器一Q1(s)为了保证系统稳定性而牺牲的扰动抑制能力，可以为系统带来更多的扰动抑制能力，提升系统的惯性稳定精度。
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