CN111796515B - 一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法 - Google Patents

一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法，用于提升未知输入跟踪系统的跟踪能力和扰动抑制能力，以满足更高精度的跟踪控制需求。标准的双口内模方法要求已知系统的输入信号，因此无法在未知输入跟踪系统中使用。本发明提出一种改进的双口内模控制方法，可以在输入未知的情况下，依然实现双口内模的控制效果，同时提升系统的跟踪能力和扰动抑制能力。本发明突破了标准双口内模控制方法的局限，在输入未知的情况下使用内模控制的思想，有效提升系统的跟踪能力和扰动抑制能力，使未知输入跟踪系统获得更高的跟踪精度。

Description

一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法
技术领域
本发明属于跟踪控制领域，具体涉及一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法，主要用于在输入信号未知的情况下，有效提升未知输入跟踪系统的跟踪能力和扰动抑制能力，提升系统的跟踪精度。
背景技术
在现实世界中，有许多跟踪系统是无法获知系统输入的，如雷达跟踪系统，光电跟踪系统等。如文献《近程多基地雷达探测系统中快速跟踪方法研究》(徐洪奎.[D].中国科学院大学.2007)、《面向光电跟踪系统的先进运动控制》(任彦.[M].科学出版社.2017)中所述，这类系统无法获得输入信号，只能通过传感器获得输入信号与输出信号的跟踪误差信号。对于未知输入跟踪系统而言，系统性能指标主要体现在跟踪能力和扰动抑制能力。跟踪能力受到传感器采样频率和跟踪带宽的影响，扰动抑制能力受到外界扰动和系统机械结构的影响。地基未知输入跟踪系统的跟踪精度容易因地面振动和空气流动而降低；安装在运动平台上的未知输入跟踪系统，如在飞机，车辆，轮船，卫星等运动平台上时，会受到安装载体的不规则运动而导致的大量扰动。文献《运动平台中惯性稳定控制技术研究》(夏运霞.[D].中国科学院大学.2013)中提到的标准双口内模控制方法，是一种针对已知输入的一般系统，在闭环负反馈回路的基础上添加内模回路，得到等效的输入前馈和扰动前馈效果，构成等效复合控制的方法。在标准双口内模控制方法中，需要直接将系统输入作为内模控制器的输入信号之一，才能提升系统的跟踪能力。但是在未知输入跟踪系统中，跟踪目标的轨迹往往是不可预测的，只能获得跟踪误差。标准双口内模控制方法提供了一种重要思路，在前馈扰动的同时前馈输入，从而提升系统的扰动抑制能力和跟踪能力。但是受限于未知输入跟踪系统的特殊性，标准双口内模控制方法无法发挥效果，因此亟需一种改进型的双口内模控制方法。
发明内容
为了突破标准内模控制方法在未知输入跟踪系统中的局限性，实现高性能的跟踪和稳定，进一步提升未知输入跟踪系统的跟踪能力和扰动抑制能力，本发明提出了一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法。
标准的双口内模方法如图2所示，其将系统输入信号给到内模控制器GIMC(s)，可见内模控制器GIMC(s)的输入信号为f＝r-d，其中r是输入信号，r是扰动信号，进而达到同时提升系统的跟踪能力和扰动抑制能力的效果。但是在未知输入跟踪系统中，如雷达跟踪系统和光电跟踪系统等，是无法直接获知系统的输入信号的，只能获得输入信号与输出信号的误差信号。因此，在未知输入跟踪系统中不能直接使用标准的双口内模方法。
为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法，其具体实施步骤如下：
步骤(1)：通过传感器，直接获得未知输入跟踪系统的跟踪误差信号；
步骤(2)：对未知输入跟踪系统进行初级位置闭环，将闭环后的初级位置环作为新控制器C(s)的被控对象Gp(s)；
步骤(3)：根据位置被控对象Gp(s)，设计新的位置控制器C(s)，并再次进行位置闭环；
步骤(4)：根据位置被控对象Gp(s)，设计改进内模控制方法中的
Figure BDA0002609468160000021
步骤(5)：根据改进型双口内模控制结构，分析内模控制器GIMC(s)的输入信号，并与标准的双口内模进行对比；
步骤(6)：进行内模控制器GIMC(s)的稳定性分析，将得到的约束条件用于其参数设计；
步骤(7)：进行内模控制器GIMC(s)的跟踪性能和扰动抑制性能分析，将得到的约束条件用于其参数设计；
步骤(8)：根据约束条件，设计内模控制器GIMC(s)，并搭建改进型双口内模控制结构，实现系统跟踪性能的提升和对外界扰动的有效抑制。
进一步地，步骤(2)中进行了初级位置闭环，初级闭环后系统特性表现为低通滤波器，滤波器截止频率就是初级位置闭环的跟踪带宽；初级位置闭环后，将其作为新位置控制器C(s)的被控对象Gp(s)；在初级位置闭环的跟踪带宽内，有Gp(s)＝1，因此被控对象Gp(s)可以表示为：
Figure BDA0002609468160000022
其中T1,…,Tn是一阶惯性环节的参数，被控对象Gp(s)可以有n个阶次。
进一步地，步骤(3)中新的位置控制器C(s)，其设计可以采用经典的PID控制器方法。
进一步地，步骤(4)中的
Figure BDA0002609468160000023
其设计方法如下：
Figure BDA0002609468160000031
其中LP(s)是截止频率高于Gp(s)的n阶低通滤波器，其作用是提高
Figure BDA0002609468160000032
的分母阶次，使其物理可实现。
进一步地，步骤(5)中内模控制器GIMC(s)的输入信号f，根据改进型双口内模控制方法的结构，输入信号f可以表示为：
Figure BDA0002609468160000033
其中r是系统输入信号，y是系统输出信号，e＝r-y是跟踪误差信号，u是被控对象的输入信号，d是扰动信号；根据
Figure BDA0002609468160000034
的设计，且在初级位置闭环的带宽内有Gp(s)＝1，因此在初级位置闭环的带宽内有
Figure BDA0002609468160000035
而f＝r-d正是在输入已知的情况下，标准双口内模方法中内模控制器的输入；因此，该方法可以在输入未知的情况下，依然实现标准双口内模方法的控制效果。
进一步地，步骤(6)中内模控制器GIMC(s)的稳定性约束表示如下：
Figure BDA0002609468160000036
进一步地，步骤(7)中，在初级位置闭环的带宽内，有Gp(s)＝1，且改进型双口内模控制方法的跟踪传递函数为：
Figure BDA0002609468160000037
其中y(s)是输出信号，r(s)是输入信号，GIMC(s)是内模控制器，C(s)是PID控制器；
其扰动传递函数为：
Figure BDA0002609468160000038
其中y(s)是输出信号，d(s)是扰动信号，GIMC(s)是内模控制器，C(s)是PID控制器。
进一步地，步骤(8)中，内模控制器GIMC(s)的设计方法如下：
Figure BDA0002609468160000039
其中T0为正的常数，且内模控制器GIMC(s)的截止频率高于初级位置闭环的带宽。
进一步地，使用改进型双口内模控制方法，可以在输入未知的情况下，通过误差信号，实现标准双口内模方法在输入已知的情况下才能实现的效果，从而提升未知输入跟踪系统的跟踪能力和扰动抑制能力，使系统获得更高的跟踪精度。
本发明原理在于：本发明先对未知输入跟踪系统进行初级位置闭环，初级闭环后系统特性表现为低通滤波器，滤波器截止频率就是初级位置闭环的跟踪带宽；将闭环后的初级位置环作为新控制器C(s)的被控对象Gp(s)，在初级位置闭环的跟踪带宽内，有Gp(s)＝1，因此被控对象Gp(s)可以表示为：
Figure BDA0002609468160000041
其中T1,…,Tn是一阶惯性环节的参数，被控对象Gp(s)可以有n个阶次；
根据位置被控对象Gp(s)，可以设计新的位置控制器C(s)，并再次进行位置闭环。同时，根据位置被控对象Gp(s)，还可以设计改进内模控制方法中的
Figure BDA0002609468160000042
其设计方法如下：
Figure BDA0002609468160000043
其中LP(s)是截止频率高于Gp(s)的n阶低通滤波器，其作用是提高
Figure BDA0002609468160000044
的分母阶次，使其物理可实现。
根据如图1所示的改进型双口内模控制方法的结构，本发明中内模控制器GIMC(s)的输入信号f可以表示为：
Figure BDA0002609468160000045
根据
Figure BDA0002609468160000046
的设计，且在初级位置闭环的带宽内有Gp(s)＝1，因此在初级位置闭环的带宽内有
Figure BDA0002609468160000047
而f＝r-d正是在输入已知的情况下，标准双口内模方法中内模控制器的输入；因此本发明可以在输入未知的情况下，依然实现标准双口内模方法的控制效果。
对本发明的内模控制器GIMC(s)进行稳定性分析，根据小增益定理，其稳定性约束表示如下：
Figure BDA0002609468160000048
在位置闭环中引入本发明的改进型内模控制方法后，在初级位置闭环的带宽内有Gp(s)＝1，系统的跟踪传递函数为：
Figure BDA0002609468160000049
其中y(s)是输出信号，r(s)是输入信号，GIMC(s)是内模控制器，C(s)是PID控制器；
其扰动传递函数为：
Figure BDA0002609468160000051
其中y(s)是输出信号，d(s)是扰动信号，GIMC(s)是内模控制器，C(s)是PID控制器。
因此，本发明中的内模控制器GIMC(s)可以设计如下：
Figure BDA0002609468160000052
其中T0为正的常数，且内模控制器GIMC(s)的截止频率高于初级位置闭环的带宽。搭建改进型双口内模控制结构，在输入未知的情况下，通过误差信号，实现标准双口内模方法在输入已知的情况下才能实现的效果，从而提升未知输入跟踪系统的跟踪能力和扰动抑制能力，使系统获得更高的跟踪精度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)相比于标准双口内模控制方法，本发明没有系统输入信号必须已知的局限性，可以应用于未知输入跟踪系统，拓宽了双口内模方法的适用范围，可以有效提升系统的跟踪能力和扰动抑制能力；
(2)相比于传统PID等控制方法，针对未知输入跟踪系统，本发明可以有效提升扰动抑制能力的同时，进一步提升系统的跟踪能力；
(3)相比于标准双口内模控制方法，本发明的内模控制器设计简单，实用性好，易于实现，效果明显；
(4)本发明提出了一种新的双口内模控制方法结构简单，设计直观，可用于大时滞系统，对于扰动抑制和鲁棒性的改善效果显著。
附图说明
图1是本发明的一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法的控制框图。
图2是标准双口内模控制方法的控制框图。
图3是普通闭环与普通闭环加改进型双口内模方法的跟踪效果对比图，其中，图3(a)为普通闭环与普通闭环加改进型双口内模方法的输出对比图，图3(b)为普通闭环与普通闭环加改进型双口内模方法的误差对比图。
图4是普通闭环与普通闭环加改进型双口内模方法的跟踪叠加扰动的效果对比图，其中，图4(a)为普通闭环与普通闭环加改进型双口内模方法的跟踪叠加扰动的输出对比图，图4(b)为普通闭环与普通闭环加改进型双口内模方法的跟踪叠加扰动的误差对比图。
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。
如图1所示是一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法的控制框图，其中包括输入和扰动估计回路，内模控制器GIMC(s)，和普通位置控制器C(s)。
为实现本发明的目的，本发明提供一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法，其方法步骤如下：
步骤(1)：通过传感器，直接获得未知输入跟踪系统的跟踪误差信号；
步骤(2)：对未知输入跟踪系统进行初级位置闭环，初级闭环后系统特性表现为低通滤波器，滤波器截止频率就是初级位置闭环的跟踪带宽；将闭环后的初级位置环作为新控制器C(s)的被控对象Gp(s)，在初级位置闭环的跟踪带宽内，有Gp(s)＝1，因此被控对象Gp(s)可以表示为：
Figure BDA0002609468160000061
其中T1,…,Tn是一阶惯性环节的参数，被控对象Gp(s)可以有n个阶次；
步骤(3)：根据位置被控对象Gp(s)，设计新的位置控制器C(s)，并再次进行位置闭环，位置控制器C(s)的设计可以采用经典的PID控制器方法等方法；
步骤(4)：根据位置被控对象Gp(s)，设计改进内模控制方法中的
Figure BDA0002609468160000062
其设计方法如下：
Figure BDA0002609468160000063
其中LP(s)是截止频率高于Gp(s)的n阶低通滤波器，其作用是提高
Figure BDA0002609468160000064
的分母阶次，使其物理可实现；
步骤(5)：根据改进型双口内模控制方法的结构，内模控制器GIMC(s)的输入信号f可以表示为：
Figure BDA0002609468160000065
其中r是系统输入信号，y是系统输出信号，e＝r-y是跟踪误差信号，u是被控对象的输入信号，d是扰动信号；根据
Figure BDA0002609468160000066
的设计，且在初级位置闭环的带宽内有Gp(s)＝1，因此在初级位置闭环的带宽内有
Figure BDA0002609468160000071
而f＝r-d正是在输入已知的情况下，标准双口内模方法中内模控制器的输入；因此，该方法可以在输入未知的情况下，依然实现标准双口内模方法的控制效果；
步骤(6)：进行内模控制器GIMC(s)的稳定性分析，约束条件用于其参数设计，其稳定性约束表示如下：
Figure BDA0002609468160000072
步骤(7)：进行内模控制器GIMC(s)的跟踪性能和扰动抑制分析，约束条件用于其参数设计，在初级位置闭环的带宽内，改进型双口内模控制方法的跟踪传递函数为：
Figure BDA0002609468160000073
其中y(s)是输出信号，r(s)是输入信号，GIMC(s)是内模控制器，C(s)是PID控制器；
其扰动传递函数为：
Figure BDA0002609468160000074
其中y(s)是输出信号，d(s)是扰动信号，GIMC(s)是内模控制器，C(s)是PID控制器。
步骤(8)：根据约束条件，设计内模控制器GIMC(s)如下：
Figure BDA0002609468160000075
其中T0为正的常数，且内模控制器GIMC(s)的截止频率高于初级位置闭环的带宽；搭建改进型双口内模控制结构，在输入未知的情况下，通过误差信号，实现标准双口内模方法在输入已知的情况下才能实现的效果，从而提升未知输入跟踪系统的跟踪能力和扰动抑制能力，使系统获得更高的跟踪精度。
下面以光电跟踪领域的吊舱跟踪系统为例，对本发明的设计过程和效果进行详细说明：
(1)：使用图1所示的控制框图搭建系统控制结构，获得吊舱跟踪系统的误差信号；
(2)：对吊舱跟踪系统进行初级位置闭环，将闭环后的初级位置环作为新控制器C(s)的被控对象Gp(s)：
Figure BDA0002609468160000076
(3)：根据位置被控对象Gp(s)，设计新的位置控制器C(s)，采用普通PID方法设计为：
Figure BDA0002609468160000081
(4)：根据位置被控对象Gp(s)，设计改进内模控制方法中的
Figure BDA0002609468160000082
其设计方法如下：
Figure BDA0002609468160000083
(5)：根据约束条件，设计内模控制器GIMC(s)如下：
Figure BDA0002609468160000084
搭建改进型双口内模控制结构，在输入未知的情况下，通过误差信号，实现标准双口内模方法在输入已知的情况下才能实现的效果。
(6)：如图3是普通闭环与普通闭环加入改进型双口内模方法后的跟踪效果对比图。与普通闭环相比，加入了本发明后，控制系统可以有效减小系统的跟踪误差，并明显提升系统的跟踪精度和跟踪能力。
(7)：如图4是普通闭环与普通闭环加入改进型双口内模方法后的跟踪叠加扰动的效果对比图。与普通闭环相比，加入了本发明后，系统的扰动信号可以得到更好的抑制，在保证跟踪效果的同时，可以有效减小系统跟踪误差，提升系统的扰动抑制能力，有力地证明了本发明在未知输入跟踪系统中的适用性和有效性。

Claims (8)

1.一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法，其特征在于：其具体实施步骤如下：
步骤(1)：通过传感器，直接获得未知输入跟踪系统的跟踪误差信号；
步骤(2)：对未知输入跟踪系统进行初级位置闭环，将闭环后的初级位置环作为新位置控制器C(s)的位置被控对象Gp(s)；
步骤(3)：根据位置被控对象Gp(s)，设计新的位置控制器C(s)，并再次进行位置闭环；
步骤(4)：根据位置被控对象Gp(s)，设计改进内模控制方法中的
Figure FDA0003502088160000011
Figure FDA0003502088160000012
其中LP(s)是截止频率高于Gp(s)的n阶低通滤波器，其作用是提高
Figure FDA0003502088160000013
的分母阶次，使其物理可实现；
步骤(5)：根据改进型双口内模控制结构，分析内模控制器GIMC(s)的输入信号，并与标准的双口内模进行对比；
步骤(6)：进行内模控制器GIMC(s)的稳定性分析，将得到的约束条件用于其参数设计；
步骤(7)：进行内模控制器GIMC(s)的跟踪性能和扰动抑制性能分析，将得到的约束条件用于其参数设计；
步骤(8)：根据约束条件，设计内模控制器GIMC(s)，并搭建改进型双口内模控制结构，实现系统跟踪性能的提升和对外界扰动的有效抑制。
2.根据权利要求1所述的一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法，其特征在于：步骤(2)中进行了初级位置闭环，初级闭环后系统特性表现为低通滤波器，滤波器截止频率就是初级位置闭环的跟踪带宽；初级位置闭环后，将其作为新位置控制器C(s)的位置被控对象Gp(s)；在初级位置闭环的跟踪带宽内，有Gp(s)＝1，因此位置被控对象Gp(s)可以表示为：
Figure FDA0003502088160000014
其中T1,…,Tn是一阶惯性环节的参数，位置被控对象Gp(s)可以有n个阶次。
3.根据权利要求1所述的一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法，其特征在于：步骤(3)中新的位置控制器C(s)，其设计可以采用经典的PID控制器方法。
4.根据权利要求1所述的一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法，其特征在于：步骤(5)中内模控制器GIMC(s)的输入信号f，根据改进型双口内模控制方法的结构，输入信号f可以表示为：
Figure FDA0003502088160000021
其中r是系统输入信号，y是系统输出信号，e＝r-y是跟踪误差信号，u是被控对象的输入信号，d是扰动信号；根据
Figure FDA0003502088160000022
的设计，且在初级位置闭环的带宽内有Gp(s)＝1，因此在初级位置闭环的带宽内有
Figure FDA0003502088160000023
而f＝r-d正是在输入已知的情况下，标准双口内模方法中内模控制器的输入；因此，该方法可以在输入未知的情况下，依然实现标准双口内模方法的控制效果。
5.根据权利要求1所述的一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法，其特征在于：步骤(6)中内模控制器GIMC(s)的稳定性约束表示如下：
Figure FDA0003502088160000024
6.根据权利要求1所述的一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法，其特征在于：步骤(7)中，在初级位置闭环的带宽内，有Gp(s)＝1，且改进型双口内模控制方法的跟踪传递函数为：
Figure FDA0003502088160000025
其中y(s)是输出信号，r(s)是输入信号，GIMC(s)是内模控制器，C(s)是PID控制器；
其扰动传递函数为：
Figure FDA0003502088160000026
其中y(s)是输出信号，d(s)是扰动信号，GIMC(s)是内模控制器，C(s)是PID控制器。
7.根据权利要求1所述的一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法，其特征在于：步骤(8)中，内模控制器GIMC(s)的设计方法如下：
Figure FDA0003502088160000027
其中T0为正的常数，且内模控制器GIMC(s)的截止频率高于初级位置闭环的带宽。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种适用于未知输入跟踪系统的改进型双口内模控制方法，其特征在于：使用改进型双口内模控制方法，可以在输入未知的情况下，通过误差信号，实现标准双口内模方法在输入已知的情况下才能实现的效果，从而提升未知输入跟踪系统的跟踪能力和扰动抑制能力，使系统获得更高的跟踪精度。
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