CN114089624B - 一种基于实时fft变换的峰值器扰动抑制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统，包括：PID控制器、峰值器、被控装置、陀螺仪、FFT模块；PID控制器，用于接收系统给定的初始值和陀螺仪输入的角速度反馈值；峰值器，用于接收FFT模块实时计算出来的扰动频率，对PID控制器进行优化；被控装置，用于被通过峰值器优化后的PID控制器控制；还用于将实时角速度发送给陀螺仪；陀螺仪，用于实时获取被控装置角速度，并将获取的角速度传输给FFT模块；FFT模块，用于接收陀螺仪实时发送的角速度，并根据角速度计算当前扰动信号的频率和幅值；将计算出的频率带入峰值器中，实时对峰值器作用域更新。本发明使用基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制技术后，可以有效的抑制光电吊舱稳定平台受到的中高频扰动。

Description

一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统和方法
技术领域
本发明涉及的是自动控制领域，特别涉及一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统和方法。
背景技术
光电吊舱在工作过程中，会受到载机振动、气流冲击和摩擦等干扰，而安装于稳定平台内部的精密光学载荷往往对外界机体扰动非常敏感，微弱的晃动就会导致成像质量退化，严重情况下导致光学载荷无法捕获目标。
光电吊舱稳定平台是一个典型的闭环控制系统，它以陀螺作为反馈单元，力矩电机作为执行机构，主要用于隔离光电吊舱在执行任务的过程中受到的各类力矩扰动，保证安装于光电吊舱内部的光电载荷视轴稳定。目前广泛使用pid作为伺服控制系统的控制器，pid具有鲁棒性强，结构简单、易于数字化实现等优点。
Pid控制器由于其固有的频域特性，导致光电吊舱稳定平台仅对低频扰动有较强的抑制能力，对中高扰动起不到抑制的效果。特别针对制冷型红外探测器，由于需要保持红外探测器焦平面温度，制冷探测器压缩机持续中高频抖动产生了中高频干扰，严重影响到了光电吊舱光电载荷光轴稳定。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统和方法。
为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：
一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统，包括：PID控制器、峰值器、被控装置、陀螺仪、FFT模块；其中：
PID控制器，分别与陀螺仪和峰值器连接，用于接收系统给定的初始值和陀螺仪输入的角速度反馈值，并根据角速度反馈值对被控装置进行控制；
峰值器，串联在PID控制器与被控装置之间，用于接收FFT模块实时计算出来的扰动频率作为输入，对PID控制器进行优化，提高PID控制器的高频开环增益，消除扰动对被控装置的影响；
被控装置，分别与峰值器和陀螺仪连接，用于被通过峰值器优化后的PID控制器进行控制，保证被控装置稳定；还用于将实时角速度发送给陀螺仪；
陀螺仪，分别与被控装置和FFT模块连接，用于实时获取被控装置角速度，并将获取的角速度传输给FFT模块；
FFT模块，分别与陀螺仪和峰值器连接，用于接收陀螺仪实时发送的角速度，并根据角速度计算当前扰动信号的频率和幅值；将FFT模块计算出的频率带入峰值器中，实时对峰值器作用域的更新。
进一步地，PID控制器，用于控制接收系统给定的初始值，初始值为0。
进一步地，峰值器的传递函数为：
其中，ξ1为峰值器第一调整因子，ξ2为峰值器第二调整因子，ξ1＞ξ2，ω为需要抑制的频率。
进一步地，峰值器对PID控制器的优化，具体包括：仅增大指定频率点的幅频增益，对其他频率无影响；仅改变指定频率点的相频特性，对其他频率无影响。
进一步地，被控装置为电吊舱内的光电载荷，陀螺仪固连在光电载荷上，可实时获取光电吊舱的角速度。
进一步地，FFT模块，通过快速傅立叶变换算法，计算出扰动信号的频率和幅值。
进一步地，当控制系统为STM32平台时，FFT模块可直接调用dsp库函数，以惯性器件采集到的扰动信号作为输入，计算出扰动信号的频率和幅值。
本发明还公开了一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制方法，包括：
S100.PID控制器接收系统给定的初始值，并通过给定的初始值对被控对象进行控制；
S200.峰值器根据实时频率，对PID控制器进行优化，提高PID控制器的高频开环增益，消除扰动对被控装置的影响，对被控对象进行控制；
S300.陀螺仪安装于被控装置，实时获取被控装置角速度，并将角速度实时反馈给FFT模块；
S400.FFT模块，根据接收的实时角速度，通过快速傅立叶变换算法，计算当前扰动信号的频率和幅值；
S500.将FFT模块计算出的频率带入峰值器中，实时对峰值器作用域的更新；
S600.将陀螺仪反馈的实时角速度值与系统给定的初始值进行比对，实时对系统初始值更新，重复执行S100-S600。
进一步地，峰值器的传递函数为：
其中,ξ1为峰值器第一调整因子，ξ2为峰值器第二调整因子，ξ1＞ξ2，ω为需要抑制的频率。
进一步地，被控装置为电吊舱内的光电载荷，陀螺仪固连在光电载荷上，可实时获取光电吊舱的角速度。
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
本发明公开的一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统，包括：PID控制器、峰值器、被控装置、陀螺仪、FFT模块；PID控制器，用于接收系统给定的初始值和陀螺仪输入的角速度反馈值，并根据角速度反馈值对被控装置进行控制；峰值器，用于接收FFT模块实时计算出来的扰动频率作为输入，对PID控制器进行优化，提高PID控制器的高频开环增益，消除扰动对被控装置的影响；被控装置，用于接收通过峰值器优化后的PID控制器进行控制，保证被控装置稳定；还用于将实时角速度发送给陀螺仪；陀螺仪，用于实时获取被控装置角速度，并将获取的角速度传输给FFT模块；FFT模块，用于接收陀螺仪实时发送的角速度，并根据角速度计算当前扰动信号的频率和幅值；将FFT模块计算出的频率带入峰值器中，实时对峰值器作用域的更新。
本发明使用基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制技术后，可以有效的抑制光电吊舱稳定平台受到的中高频扰动；基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制技术结构简单、数字化方便、占用资源少，可方便的在嵌入式系统中移植；基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制技术对原伺服控制系统影响小，移植后，基本不要再重新调试参数。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例1中，一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统的结构图；
图2为本发明实施例1中，一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统。
实施例1
本实施例公开了一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统，如图1，包括：PID控制器1、峰值器2、被控装置3、陀螺仪4、FFT模块5；其中：
PID控制器1，分别与陀螺仪4和峰值器2连接，用于接收系统给定的初始值和陀螺仪4输入的角速度反馈值，并根据角速度反馈值对被控装置3进行控制；
具体的，PID控制简称比例积分微分控制，是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。在本实施例中，PID控制器1，接收系统给定的初始值为0.
峰值器2，串联在PID控制器1与被控装置3之间，用于接收FFT模块5实时计算出来的扰动频率作为输入，对PID控制器1进行优化，提高PID控制器1的高频开环增益，消除扰动对被控装置3的影响。
具体的，在本实施例中，PID控制器1由于其固有的频域特性，导致光电吊舱稳定平台仅对低频扰动有较强的抑制能力，对中高扰动起不到抑制的效果。特别针对制冷型红外探测器，由于需要保持红外探测器焦平面温度，制冷探测器压缩机持续中高频抖动产生了中高频干扰，严重影响到了光电吊舱光电载荷光轴稳定。在本实施例中，峰值器2对PID控制器1的优化，具体包括：仅增大指定频率点的幅频增益，对其他频率无影响；仅改变指定频率点的相频特性，对其他频率无影响。
在一些优选实施例中，峰值器2的传递函数为：
其中,ξ1为峰值器第一调整因子，ξ2为峰值器第二调整因子，ξ1＞ξ2，第一调整因子和第二调整因子决定着峰值器的性能。普遍规律就是其比值越大，峰值器的性能越好，但是鲁棒性越差。ω为需要抑制的频率。
被控装置3，分别与峰值器2和陀螺仪4连接，用于接收通过峰值器2优化后的PID控制器1进行控制，保证被控装置3稳定；还用于将实时角速度发送给陀螺仪4；在本实施例中，被控装置3一般是指光电吊舱内的光电载荷，陀螺固连在光电载荷上，可实时敏感光电吊舱的角速度。
陀螺仪4，分别与被控装置3和FFT模块5连接，用于实时获取被控装置3角速度，并将获取的角速度传输给FFT模块5；具体的，陀螺仪4是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。
FFT模块5，分别与陀螺仪4和峰值器2连接，用于接收陀螺仪4实时发送的角速度，并根据角速度计算当前扰动信号的频率和幅值；将FFT模块5计算出的频率带入峰值器2中，实时对峰值器2作用域的更新。
具体的，FFT模块5，通过快速傅立叶变换算法，计算出扰动信号的频率和幅值。FFT(Fast Fourier Transformation)是离散傅氏变换(DFT)的快速算法。即为快速傅氏变换。它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。在一些优选实施例中，当控制系统为ST32平台时，FFT模块5可直接调用dsp库函数，以惯性器件采集到的扰动信号作为输入，计算出扰动信号的频率和幅值。
本实施例还公开了一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制方法，如图2，包括：
S100.PID控制器接收系统给定的初始值，并通过给定的初始值对被控对象进行控制；
S200.峰值器根据实时频率，对PID控制器进行优化，提高PID控制器的高频开环增益，消除扰动对被控装置的影响，对被控对象进行控制；
S300.陀螺仪安装于被控装置，实时获取被控装置角速度，并将角速度实时反馈给FFT模块；
S400.FFT模块，根据接收的实时角速度，通过快速傅立叶变换算法，计算当前扰动信号的频率和幅值；
S500.将FFT模块计算出的频率带入峰值器中，实时对峰值器作用域的更新；
S600.将陀螺仪反馈的实时角速度值与系统给定的初始值进行比对，实时对系统初始值更新，重复执行S100-S600。
本发明公开的一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统和方法，使用基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制技术后，可以有效的抑制光电吊舱稳定平台受到的中高频扰动；基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制技术结构简单、数字化方便、占用资源少，可方便的在嵌入式系统中移植；基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制技术对原伺服控制系统影响小，移植后，基本不要再重新调试参数。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
结合本文的实施例所描述的方法或者算法的步骤可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或其组合。软件模块可以位于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质连接至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。该ASIC可以位于用户终端中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于用户终端中。
对于软件实现，本申请中描述的技术可用执行本申请所述功能的模块(例如，过程、函数等)来实现。这些软件代码可以存储在存储器单元并由处理器执行。存储器单元可以实现在处理器内，也可以实现在处理器外，在后一种情况下，它经由各种手段以通信方式耦合到处理器，这些都是本领域中所公知的。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

Claims (7)

1.一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统，其特征在于，包括：PID控制器、峰值器、被控装置、陀螺仪、FFT模块；其中：
PID控制器，分别与陀螺仪和峰值器连接，用于接收系统给定的初始值和陀螺仪输入的角速度反馈值，并根据角速度反馈值对被控装置进行控制；
峰值器，串联在PID控制器与被控装置之间，用于接收FFT模块实时计算出来的扰动频率作为输入，对PID控制器进行优化，提高PID控制器的高频开环增益，消除扰动对被控装置的影响；峰值器的传递函数为：
；
其中，ξ1为峰值器第一调整因子，ξ2为峰值器第二调整因子，ξ1 >ξ2，ω为需要抑制的频率；
峰值器对PID控制器的优化，具体包括：仅增大指定频率点的幅频增益，对其他频率无影响；仅改变指定频率点的相频特性，对其他频率无影响；
被控装置，分别与峰值器和陀螺仪连接，用于被通过峰值器优化后的PID控制器控制，保证被控装置稳定；还用于将实时角速度发送给陀螺仪；
陀螺仪，分别与被控装置和FFT模块连接，用于实时获取被控装置角速度，并将获取的角速度传输给FFT模块；
FFT模块，分别与陀螺仪和峰值器连接，用于接收陀螺仪实时发送的角速度，并根据角速度计算当前扰动信号的频率和幅值；将FFT模块计算出的频率带入峰值器中，实时对峰值器作用域更新。
2.如权利要求1所述的一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统，其特征在于，PID控制器，用于接收系统给定的初始值，初始值为0。
3.如权利要求1所述的一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统，其特征在于，被控装置为电吊舱内的光电载荷，陀螺仪固连在光电载荷上，可实时获取光电吊舱的角速度。
4.如权利要求1所述的一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统，其特征在于，FFT模块，通过快速傅立叶变换算法，计算出扰动信号的频率和幅值。
5.如权利要求4所述的一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统，其特征在于，当控制系统为ST32平台时，FFT模块可直接调用dsp库函数，以惯性器件采集到的扰动信号作为输入，计算出扰动信号的频率和幅值。
6.一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制方法，采用权利要求1-5中任一项所述的一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制系统，其特征在于，包括：
S100.PID控制器接收系统给定的初始值，并通过给定的初始值对被控对象进行控制；
S200.峰值器根据实时频率，对PID控制器进行优化，提高PID控制器的高频开环增益，消除扰动对被控装置的影响，对被控对象进行控制；峰值器的传递函数为：
；
其中，ξ1 为峰值器第一调整因子，ξ2 为峰值器第二调整因子，ξ1 >ξ2 ，ω为需要抑制的频率；
峰值器对PID控制器的优化，具体包括：仅增大指定频率点的幅频增益，对其他频率无影响；仅改变指定频率点的相频特性，对其他频率无影响；
S300.陀螺仪安装于被控装置，实时获取被控装置角速度，并将角速度实时反馈给FFT模块；
S400.FFT模块，根据接收的实时角速度，通过快速傅立叶变换算法，计算当前扰动信号的频率和幅值；
S500.将FFT模块计算出的频率带入峰值器中，实时对峰值器作用域的更新；
S600.将陀螺仪反馈的实时角速度值与系统给定的初始值进行比对，实时对系统初始值更新，重复执行S100-S600。
7.如权利要求6所述的一种基于实时FFT变换的峰值器扰动抑制方法，其特征在于，被控装置为电吊舱内的光电载荷，陀螺仪固连在光电载荷上，可实时获取光电吊舱的角速度。
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