CN113341806A - 一种基于在线辨识的快速控制反射镜控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于在线辨识的快速控制反射镜控制方法，将下一时刻的给定信号和传感器检测到的快速控制反射镜的当前位置信号作差，得到误差信号，校正环节根据误差信号输出控制信号，控制快速控制反射镜运动到指定位置，在控制过程中，若由于环境变化引起快速控制反射镜的控制精度不满足要求时，校正环节暂停输出控制信号，启动在线辨识对校正环节自身进行更新，更新完成后，校正环节重新输出控制信号，直到接受到停止信号。本发明利用在线辨识的方法，对快速控制反射镜控制中的校正环节进行更新，不需要人工进行离线辨识，节约了时间和人工成本，提高了快速控制反射镜的控制效率。

Description

一种基于在线辨识的快速控制反射镜控制方法及系统

技术领域

本发明属于快速控制反射镜控制技术领域，具体涉及一种基于在线辨识的快速控制反射镜控制方法及系统。

背景技术

快速控制反射镜广泛应用于稳像、跟踪等光电系统中。在这些光电系统中，为了使快速控制反射镜响应速度快、精度高，需要其具有足够宽的闭环带宽，对于提高快速控制反射镜闭环带宽，均采用串联校正的方式来提高快速控制反射镜的开环截止频率，进而提高系统闭环控制带宽。目前，在获取校正环节中，普遍采取离线辨识的方式获得快速控制反射镜传递函数，再根据其传递函数特性获得相应校正环节。

由于离线辨识需要将辨识快速控制反射镜所用激励数据及传感器采集的输出的数据一起导入MATLAB，利用MATLAB中的辨识工具箱得到快速控制反射镜传递函数。因此在环境变化引起快速控制反射镜固有特性发生变化需要重新辨识时，采用离散辨识的方式时间及人工成本高且需要专业人员操作。

发明内容

本发明的目的在于现有技术中岑仔的采用离散辨识的方式时间及人工成本高确需要专业人员操作的问题，提供一种基于在线辨识的快速控制反射镜控制方法，将下一时刻的给定信号和传感器检测到的快速控制反射镜的当前位置信号作差，得到误差信号，校正环节根据误差信号输出控制信号，控制快速控制反射镜运动到给定位置。当环境变化引起快速控制反射镜的控制精度不满足要求时，启动在线辨识，即可在线对对校正环节进行更新，更新完成后，重新输出控制信号对快速控制反射镜进行控制。

本发明目的通过下述技术方案来实现：一种基于在线辨识的快速控制反射镜控制方法，包括以下步骤：

将下一时刻的给定信号和传感器检测到的快速控制反射镜的当前位置信号作差，得到误差信号；将误差信号输入校正环节，得到控制信号，控制信号控制快速控制反射镜运动到给定位置；传感器进行检测，更新当前位置信号，再根据当前位置的下一时刻的给定信号，重复上述步骤，直到接收到停止信号；

当环境变化引起快速控制反射镜的固有特性发生变化，且控制精度不满足要求时，校正环节暂停输出控制信号，启动在线辨识对校正环节进行更新；

校正环节更新完成后，重新输出控制信号，直到接收到停止信号；直到下一次启动在线辨识对校正环节进行更新，否则校正环节不变。

在快速控制反射镜的控制中，串联校正环节，提高了快速控制反射镜的开环截止频率，进而提高其闭环带宽。本发明采用在线辨识的方法，对校正环节进行更新，当外界环境发生变化，造成快速控制反射镜的控制精度不满足要求时，不需要进行离线操作，只需要在线启动在线辨识，即可对校正环节进行更新，方便快捷、操作简单。

优选地，所述在线辨识包括：

S1、产生辨识激励信号，开始在线辨识；

S2、记录每一帧频率所述传感器采集的输出信号的最大值Mmax和最小值Mmin，得到幅值为M＝(Mmax+Mmin)/2；

S3、取所述幅值的最大值为谐振峰值Mr，及谐振峰值对应的频率值为谐振频率Fr；根据谐振峰值Mr和谐振频率Fr确定阻尼比ξ，无阻尼频率Fn；得到被控对象的传递函数系数α＝2×ξ×(2×π×Fn)，β＝(2×π×Fn)×(2×π×Fn)；

S4、根据零极点对消原理确定校正环节系数为α”＝α，β”＝β。

S5、将更新后的所述校正环节连续形式转变为离散形式。

利用激励信号，启动在线辨识，通过传感器检测到的信号，即可通过计算对校正环节进行更新，能够精准的控制快速控制反射镜的运动。

优选地，所述辨识激励信号为利用函数库中SIN函数产生的0.5～400Hz、频率间隔为0.1～1Hz的正弦波扫频信号。

在线辨识的激励信号，直接利用函数库中的函数获得，方便快捷。

优选地，步骤S25中，利用Tustin变化将所述校正环节由连续形式转变为离散形式。

将连续形式的校正环节转换为离散形式，作为快速控制反射镜的控制信号。

优选地，所述给定信号为位置信号，即指定的下一时刻的快速控制反射镜位置，所述给定信号为三角波。

给定信号，即为指定的下一时刻的快速控制反射镜位置，实际应用中可以采取多种信号形式，可采取正弦波等单种波形或多种波形的组合形式。三角波只是其中一种优选的信号形式。

优选地，所述快速控制反射镜固有特性发生变化，包括快速控制反射镜所处环境的温度变化或者快速控制反射镜自身的控制误差。

本发明中所指的环境变化主要是温度变化，以及快速控制反射镜自身老化、故障等引起成像不清晰等问题的情况。

本发明还提供了一种基于在线辨识的快速控制反射镜控制系统，包括

快速控制反射镜和传感器，所述传感器连接所述快速控制反射镜，用于检测所述快速控制反射镜的位置信号；

控制模块，所述控制模块连接所述快速控制反射镜和所述传感器，用于根据下一时刻的给定信号和所述传感器检测到的当前时刻的位置信号，输出控制信号到所述快速控制反射镜，控制所述快速控制反射镜运动到给定位置；

所述控制模块还用于在所述快速控制反射镜的控制精度不满足要求时，暂停输出控制信号，根据启动信号，启动对自身的在线辨识，在线辨识完成后，重新输出控制信号，控制所述快速控制反射镜运动。

本系统在对快速控制反射镜的控制过程中，当外界环境变化引起控制精度不满足要求时，可以启动对控制模块的在线辨识，更新控制模块，更新完成后继续控制。保证了控制的精度的同时，还节约了时间。

优选地，所述系统还包括AD转换模块、DA转换模块、信号放大模块和驱动模块；

所述AD转换模块连接所述传感器和所述控制模块，用于将所述传感器的输出信号进行AD转换，转换为数字信号，并输出到所述控制模块；

所述DA转换模块用于将所述控制模块输出的控制信号转化为模拟信号；

所述信号放大模块连接所述DA转换模块，用于将所述DA转换模块输出的模拟信号进行放大，作为驱动信号输出到所述驱动模块；

所述驱动模块连接所述信号放大模块和所述快速控制反射镜，用于根据所述信号放大模块的输出的驱动信号，推动所述快速控制反射镜运动到给定位置。

本系统在实际应用中，还可加入AD转换模块，将传感器检测到的快速控制反射镜的当前位置信号转化成数字信号，输入到控制模块。相应的，还设置有DA转换模块，将控制模块输出的数字信号转换成模拟信号，以便于进行后续控制。设置的驱动模块，用于推动快速控制反射镜运动；相应的，设置的信号放大模块用于将控制模块输出的控制信号放大为驱动信号，驱动模块根据驱动信号，推动快速控制反射镜运动到给定位置。

本发明还提供了一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被处理器执行时，实现上述方法。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：

1、在快速控制反射镜的控制中，校正环节的获取用在线辨识取代普遍使用的离线辨识，使得由于环境变化引起快速控制反射镜固有特性发生变化，控制精度不满足要求，需要重新辨识时，可由客户或非专业人员进行操作，节约了时间及人工成本。

2、当环境变化引起快速控制反射镜的控制精度发生变化时，在线辨识能在短时间内快速启动，节约了校正环节辨识的时间成本，也提高了快速控制反射镜的控制效率。

附图说明

图1是本发明的快速控制反射镜的控制框图。

图2是本发明的方法流程图。

图3是本发明实施例未加入校正环节的被控对象频域特性曲线图。

图4是本发明实施例加入校正环节的被控对象频域特性曲线图。

图5是本发明的快速控制反射镜控制系统结构示意图。

图6是本发明的电子设备结构示意图。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例

一种基于在线辨识的快速控制反射镜的自适应控制方法，其快速控制反射镜控制系统框图，如图1所述，其中C(s)为校正环节，G(s)为被控对象，该控制框图中被控对象为快速控制反射镜，F(s)为传感器传递函数，r(t)为给定信号，y(t)为输出信号。给定信号即位置信号，即需要快速控制反射镜运动到指定位置的位置信号，本实施例采用的给定信号为频率小于25Hz的三角波。

根据控制框图可确定开环传递函数为：

G_o(s)＝C(s)·G(s)·F(s)

通过理论建模的方式，得到被控对象的传递函数为：

根据零极点对消确定串联校正环节结构为

如图2所示，本实施例提供了一种基于在线辨识的快速控制反射镜控制方法，包括以下步骤：

将下一时刻的给定信号和传感器检测到的快速控制反射镜的当前位置信号作差，得到误差信号，将误差信号输入校正环节，得到控制信号，控制信号控制快速控制反射镜运动到给定位置，传感器进行检测，更新当前位置信号，再根据当前位置的下一时刻的给定信号，重复上述步骤，直到接收到停止信号；

当环境变化引起快速控制反射镜的固有特性发生变化，且控制精度不满足要求时，校正环节暂停输出控制信号，启动在线辨识对校正环节进行更新；

校正环节更新完成后，重新输出控制信号，直到接收到停止信号；直到下一次启动在线辨识对校正环节进行更新，否则校正环节不变。

所述给定信号即为指定的下一时刻的快速控制反射镜位置信号，利用快速控制反射镜当前位置信号与下一时刻的给定信号作差，得到误差信号，校正环节根据误差信号输出控制信号，控制快速控制反射镜进行运动，完成一次控制后，若给定信号并未结束，则重复上述步骤，将传感器检测到的快速控制反射镜位置信号，作为当前位置信号，再次与快速控制反射镜当前位置的下一时刻的给定信号作差，继续进行快速控制反射镜的位置控制。

本实施例中所述的环境变化主要为温度变化，以及快速控制反射镜老化、故障等自身原因引起成像不清晰等问题。当检测到温度变化或者是快速控制反射镜自身引起控制精度不满足要求时，例如观测到温度变化过大，或者快速控制反射镜成像模糊时，即可启动在线辨识，不需要额外进行离线操作。

所述在线辨识包括：

S1、产生辨识激励信号，开始在线辨识；

本实施例的激励信号为利用函数库中SIN函数产生的0.5～400Hz、频率间隔为0.1～1Hz的正弦波扫频信号。

S2、记录每一帧频率所述传感器采集的输出信号的最大值Mmax和最小值Mmin，得到幅值为M＝(Mmax+Mmin)/2；

S3、取所述幅值的最大值为谐振峰值Mr，及谐振峰值对应的频率值为谐振频率Fr；根据谐振峰值Mr和谐振频率Fr确定阻尼比ξ，无阻尼频率Fn；得到被控对象的传递函数系数α＝2×ξ×(2×π×Fn)，β＝(2×π×Fn)×(2×π×Fn)；

S4、根据零极点对消原理确定校正环节系数为α”＝α，β”＝β。

S5、将更新后的所述校正环节连续形式转变为离散形式。

本实施取被控对象，即快速控制反射镜的传递函数的参数k＝58，α＝31.479，β＝24772.805，则可得被控对象频域特性曲线如图3所示。同时可确定校正环节系数α”＝31.479，β”＝24772.805，而系数β'决定了开环系统截止频率，α'决定了开环系统阻尼比，由于结构及电机驱动能力的限制快速控制反射镜系统的闭环带宽≤400Hz，因此选取开环系统截止频率f'＝300(Hz)，同时根据二阶振荡环节特性确定阻尼比ξ＝0.707，因此可确定校正环节系数

β'＝(2×π×300)²＝3553057.463，加入校正环节后开环系统频域特性曲线如图4所示。对比图3和图4可知，加入校正环节后开环系统截止频率由39Hz增加到200Hz。

因此，通过串联校正的方式能有效地提高快速控制反射镜开环截止频率，进而提高其闭环带宽，而获得正确的用于快速控制反射镜控制的校正环节最主要的是确定其系数α”，β”。

本实施例提供的一种基于在线辨识的快速控制反射镜的自适应控制方法，通过在线辨识，更新校正环节。利用传感器的输出信号，经过一系列计算转换，可得到被控对象的传递函数参数α、β，利用零极点对消原理，得到校正环节的参数α”，β”，最后利用tustin变换，即双线性变换，将校正环节的连续形式转换为离散形式，用于快速控制反射镜的控制。

如图5所示，为本发明提供的快速控制反射镜控制系统结构示意图，本实施例提供了一种基于在线辨识的快速控制反射镜控制系统，包括快速控制反射镜、传感器和控制模块。

所述传感器连接所述快速控制反射镜和所述控制模块，用于检测快速控制反射镜的位置信号，并传输到所述控制模块；

所述控制模块连接所述快速控制反射镜，用于根据下一时刻的给定信号和当前时刻的位置信号，输出控制信号到所述快速控制反射镜，控制所述快速控制反射镜运动到给定位置；

所述控制模块还用于在所述快速控制反射镜的控制精度不满足要求时，暂停输出控制信号，根据启动信号，启动对自身的在线辨识，在线辨识完成后，重新输出控制信号，控制所述快速控制反射镜运动。

所述系统还包括AD转换模块、DA转换模块、信号放大模块和驱动模块；

所述AD转换模块连接所述传感器和所述控制模块，用于将所述传感器的输出信号进行AD转换，转换为数字信号，并输出到所述控制模块；

所述DA转换模块用于将所述控制模块输出的控制信号转化为模拟信号；

所述信号放大模块连接所述DA转换模块，用于将所述DA转换模块输出的模拟信号进行放大，作为驱动信号输出到所述驱动模块；

所述驱动模块连接所述信号放大模块和所述快速控制反射镜，用于根据所述信号方法模块的输出的驱动信号，推动所述快速控制反射镜运动到给定位置。

本实施例的控制模块为单片机、信号放大模块为功放板、驱动模块为电机。在控制过程中，传感器检测快速控制反射镜的当前位置信号，通过AD转换转换成数字信号，输入单片机，单片机根据接受到的下一时刻的给定信号和快速控制镜的当前位置信号，输出控制信号，控制信号经DA转换成模拟信号，功放板将所述DA转换后的控制信号放大，作为电机驱动信号，驱动电机推动快速控制反射镜运动到指定位置。

如图6所示，为本发明提供的电子设备结构示意图，本实施例公开了一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述实施例所述的方法。输入输出接口可以包括显示器、键盘、鼠标、以及USB接口，用于输入输出数据；电源用于为电子设备提供电能。

本领域技术人员可以理解为：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等可以存储程序代码的介质。

当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于在线辨识的快速控制反射镜控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将下一时刻的给定信号和传感器检测到的快速控制反射镜的当前位置信号作差，得到误差信号；将误差信号输入校正环节，得到控制信号，控制信号控制快速控制反射镜运动到给定位置；传感器继续进行检测，更新当前位置信号，再根据当前位置的下一时刻的给定信号，重复上述步骤，直到接收到停止信号；

当环境变化引起快速控制反射镜的固有特性发生变化，且控制精度不满足要求时，校正环节暂停输出控制信号，启动在线辨识对校正环节进行更新；

校正环节更新完成后，重新输出控制信号，直到接收到停止信号；直到下一次启动在线辨识对校正环节进行更新，否则校正环节不变。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在线辨识包括：

S1、产生辨识激励信号，开始在线辨识；

S2、记录每一帧频率所述传感器采集的输出信号的最大值Mmax和最小值Mmin，得到幅值为M＝(Mmax+Mmin)/2；

S3、取所述幅值的最大值为谐振峰值Mr，及谐振峰值对应的频率值为谐振频率Fr；根据谐振峰值Mr和谐振频率Fr确定阻尼比ξ，无阻尼频率Fn；得到被控对象的传递函数系数α＝2×ξ×(2×π×Fn)，β＝(2×π×Fn)×(2×π×Fn)；

S4、根据零极点对消原理确定校正环节系数为α”＝α，β”＝β。

S5、将更新后的所述校正环节连续形式转变为离散形式。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述辨识激励信号为利用函数库中SIN函数产生的0.5～400Hz、频率间隔为0.1～1Hz的正弦波扫频信号。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S25中，利用Tustin变化将所述校正环节由连续形式转变为离散形式。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述给定信号为位置信号，即指定的下一时刻的快速控制反射镜位置；其中，所述给定信号为三角波。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述快速控制反射镜的固有特性发生变化，包括快速控制反射镜所处环境的温度变化或者快速控制反射镜自身造成的控制误差。

7.一种基于在线辨识的快速控制反射镜控制系统，其特征在于，包括

快速控制反射镜和传感器，所述传感器连接所述快速控制反射镜，用于检测所述快速控制反射镜的位置信号；

控制模块，所述控制模块连接所述快速控制反射镜和所述传感器，用于根据下一时刻的给定信号和所述传感器检测到的当前时刻的位置信号，输出控制信号到所述快速控制反射镜，控制所述快速控制反射镜运动到给定位置；

所述控制模块还用于在所述快速控制反射镜的控制精度不满足要求时，暂停输出控制信号，根据启动信号，启动对自身的在线辨识，在线辨识完成后，重新输出控制信号，控制所述快速控制反射镜运动。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括AD转换模块、DA转换模块、信号放大模块和驱动模块；

所述AD转换模块连接所述传感器和所述控制模块，用于将所述传感器的输出信号进行AD转换，转换为数字信号，并输出到所述控制模块；

所述DA转换模块用于将所述控制模块输出的控制信号转化为模拟信号；

所述信号放大模块连接所述DA转换模块，用于将所述DA转换模块输出的模拟信号进行放大，作为驱动信号输出到所述驱动模块；

所述驱动模块连接所述信号放大模块和所述快速控制反射镜，用于根据所述信号放大模块的输出的驱动信号，推动所述快速控制反射镜运动到给定位置。

9.一种电子设备，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-6中任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被处理器执行时，实现如权利要求1-6中任一项所述的方法。

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