CN114265350B - 一种多采样率系统中的输入信号成形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多采样率系统中的输入信号成形控制方法，将在现有多采样率稳定跟踪系统硬件架构的基础上，通过输入信号成形控制方法，在内环采样的有限拍内，将外环输入的阶跃信号转换成频带有限的输入信号，消除外环采样率低带来的高频量化信息，保留低频段的有效信号。通过借助内环采样率高的优势，安排过渡过程，让输入信号按照期望的形式变化，降低对内回路的激励，实现控制系统快速性与稳定性指标的良好折中，以此增强光电稳定跟踪系统的扰动抑制能力，提高系统的动态特性，具有广泛的应用前景。

Description

一种多采样率系统中的输入信号成形控制方法

技术领域

本发明涉及一种多采样率系统中的输入信号成形控制方法，属于光电探测技术领域。

背景技术

机载光电稳定平台主要任务是隔离载体基座扰动，并根据成像器产生的脱靶量实时控制并调整光轴指向目标，实现对机动目标的稳定跟踪，保证光轴在惯性空间中的稳定指向。然而，因为光电稳定平台中各传感器采样率的差异，让机载光电稳定平台稳定跟踪系统成为一种多采样率控制系统，采样率的差异让稳定跟踪控制系统的设计变得困难，往往外回路的设计会因为采样率差异给内回路带来明显输入信号阶跃。

因控制系统的内环陀螺稳定回路和外环跟踪回路获取反馈信息的频率不同，因此形成了多采样率控制系统。多采样率系统因为外环数据采样率较低，其输出作为内环控制器的输入指令往往会呈现出较大的阶跃特性，容易激励内环产生振荡或者让内环进入输入饱和，在大机动条件下该现象尤为明显。因此，必须研究有效的输入成形方法，降低输入指令信号的频带及其变化率，以此提升光电稳定跟踪系统的动态性能。

在实际系统中，因为功率有限和控制系统未建模特性的存在以及载机环境的振动约束，明显的输入信号阶跃会激发内回路控制系统稳定性的下降甚至脱离线性区进入饱和非线性区，严重影响光电稳定跟踪系统动态性能的提升。因光电稳定平台要实现对机动目标的指示、跟踪，速度范围很宽，传统的数字控制算法难以同时满足稳定性与快速响应两方面的要求，因此，必须借助数字控制算法的灵活性，适当地对输入信号进行修形，保留低频有用信息，减小对内回路未建模特性的激励，让控制系统保持在线性区之内，提高稳定跟踪系统动态精度。

发明内容

要解决的技术问题

在多采样率的控制系统中，因为外回路采样率较低，数据更新慢，在信号快速变化时，外回路的输出会形成较大的阶跃激励给内回路，激发内回路的未建模特性的模态，进而让内回路控制系统产生饱和非线性，导致控制系统稳定性降低，动态性能变差。

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种多采样率系统中的输入信号成形控制方法。通过输入信号成形控制方法，依据内回路特征和动态特性要求，对信号进行修形，保留低频有效信息，减小输入信号的阶跃特性对内回路的激励，提高内回路控制系统的稳定性，此时内回路参数的调整范围会增大，保证了内回路的动态特性，提高了稳定跟踪系统的稳定性与动态性能，增强了光电稳定平台对基座扰动的抑制能力，提高机载光电稳定平台动态跟踪性能。

技术方案

一种多采样率系统中的输入信号成形控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过内回路数学模型，在不考虑高频段传递函数和未建模特性的条件下，初步确定内回路控制对象的低阶模型，即标准的二阶振荡环节，得到初步的系统参数ω_n和ξ：

其中，为无阻尼自振频率；

为阻尼比；

T_M为机电时间常数；

K为开环增益；

步骤2：利用公式(3)求取标准形式下的阶跃响应上升时间t_r：

其中，

步骤3：参考t_r，来确定公式(1)中的T₀，使其与t_r相当，然后用内回路的采样时间ΔT去细分T₀，使得M·ΔT逼近t_r，得到最小期望节拍数M，

步骤4：按式(1)将输入信号曲线的1步分为M步，形成离散后的输入成形控制曲线：

其中，k为计数值；

步骤5：将输入成形控制曲线带入控制系统进行测试，在输出饱和非线性的约束下，确定输入曲线的幅值A_m范围；

步骤6：若幅值A_m范围过小，不能满足系统稳定性需求，可适当增大T₀，回到步骤3进行改进，直到满足要求，并按照A_m对输入信号进行限幅。

一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。

一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。

一种计算机程序，其特征在于包括计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。

有益效果

本发明提出的一种多采样率系统中的输入信号成形控制方法，该方法将自抗扰技术引入到输入信号成形控制中，以光滑曲线替代输入阶跃曲线，可以降低输入阶跃信号频谱过宽对内回路控制系统未建模特性的激励，提高内回路动态精度，算法实现方式是输入成形控制方法是否有效的关键，借助内回路控制系统的高采样率、较准确的低阶模型，饱和非线性范围，可以得到较为准确的理想动态响应曲线，以此曲线为基础，安排过渡过程，以此得到具有输入信号频带窄、控制裕度高、动态性好的输入成形控制方法，为光电稳定跟踪系统提供高质量的输入信号信息，提高光电稳定平台光轴指向的动态性能，具有广阔的应用前景。

本发明将在现有多采样率稳定跟踪系统硬件架构的基础上，通过输入信号成形控制方法，在内环采样的有限拍内，将外环输入的阶跃信号转换成频带有限的输入信号，消除外环采样率低带来的高频量化信息，保留低频段的有效信号。通过借助内环采样率高的优势，安排过渡过程，让输入信号按照期望的形式变化，降低对内回路的激励，实现控制系统快速性与稳定性指标的良好折中，以此增强光电稳定跟踪系统的扰动抑制能力。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1列出了输入成形控制信号所在控制系统原理图；

图2列出了多采样率系统的输入成形曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种多采样率系统中的输入信号成形控制方法，通过确定内回路控制对象低阶模型，计算出其响应过程，并依据期望的动态特性曲线安排过渡过程，产生输入成形控制信号，最后再根据系统饱和非线性的限制条件进行校核，得到最终的输入成形控制信号。此法得到的输入成形控制信号比较光滑，为光电稳定跟踪系统提供更好的动态性能，增强稳定平台的抗扰能力。主要涉及到六个方面：

1)内回路低阶模型确定。通过内回路数学模型，初步确定内回路控制对象的低阶模型。

2)根据内回路低阶模型计算频率响应范围。根据内回路低阶模型，进行控制系统响应分析，得到标准形式下的阶跃响应上升时间。

3)根据期望的动态特性曲线安排过渡过程。分析系统输入信号的跟踪要求，初步确定输入成形器和作用时间。

4)产生输入成形控制信号。将原始输入信号与输入成形器进行相乘，得到输入成形控制信号。

5)输入成形控制信号的校核。根据系统饱和非线性的限制条件进行校核，若进入饱和非线性区域，则过渡过程的时间应增加后再进行校核，直到成功。

6)得到最终的输入成形信号和输入成形器。

以下结合公式1、公式2、附图1和附图2，对本发明进行详细说明。

定义过渡过程函数，

这个函数是在T₀时间内，从0单调上升到1并保持不变的曲线，对它乘以指令值v₀作为安排的过渡过程，其中T₀是过渡过程时间，根据控制对象的能力来确定。

内回路低阶模型可以等效为标准的二阶振荡环节：

其中，为无阻尼自振频率

为阻尼比

T_M为机电时间常数

K为开环增益

通过计算的其阶跃响应的上升时间为

式中，

当阻尼比ξ一定时，欲使上式时间t_r短，必须要求系统具有较高的无阻尼自振频率ω_n。

根据内环闭环传递函数标准形式下的阶跃响应上升时间，即可初步确定式(1)中的T₀，使其与t_r相等。

按照内回路的采样时间去细分t_r，使得M·ΔT逼近t_r(不能整分时可舍弃剩余部分)，将输入信号曲线的1步分为M步。式(1)可变为

输入成形曲线控制方法中期望最小节拍数M和内回路控制采样周期ΔT两个参数可以调整，其中，ΔT越小，输入成形曲线越光滑，对控制系统的激励越小、精度越高，但其受限于数字控制器的定时运算周期；期望最小节拍数M越大，输入信号也是越光滑，时间变长，精度提高，反之则响应速度变快，精度下降。但ΔT和M的改变不能无限制提高系统的控制系统动态性能，因为它主要受制于控制系统的自身的ω_n和ξ，而输入成形控制方法则是最大限度地利用算法的优势，避免控制系统因采样和饱和进入非线性区域，影响动态性能。

具体实施步骤如下：

第一步，通过内回路数学模型，在不考虑高频段传递函数和未建模特性的条件下，初步确定内回路控制对象的低阶模型，即标准的2阶振荡环节(即公式(2))，得到初步的系统参数ω_n和ξ。

第二步，利用公式(3)求取标准形式下的阶跃响应上升时间t_r。

第三步，参考t_r，来确定公式(1)中的T₀，使其与t_r相当，然后用内回路的采样时间ΔT去细分T₀，得到最小期望节拍数M。

第四步，按式(1)将输入信号曲线的1步分为M步，形成离散后的输入成形控制曲线，如式(4)。

其中，k为计数值；

第五步，将输入成形控制曲线带入控制系统进行测试，在输出饱和非线性的约束下，确定输入曲线的幅值A_m范围。

第六步，若幅值A_m范围过小，不能满足系统稳定性需求，可适当增大T₀，回到第三步进行改进，直到满足要求，并按照A_m对输入信号进行限幅。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多采样率系统中的输入信号成形控制方法，其特征在于在跟踪控制器和稳定控制器之间增加输入成形器；包括：

对外回路输出信号进行采样得到阶跃曲线，即内回路输入信号；

将内回路输入信号与输入成形器进行相乘得到输入成形控制信号，即以光滑曲线替代阶跃曲线；

步骤1：通过内回路数学模型，在不考虑高频段传递函数和未建模特性的条件下，初步确定内回路控制对象的低阶模型，即标准的二阶振荡环节，得到初步的控制系统参数ω_n和ξ：

其中，为无阻尼自振频率；

为阻尼比；

T_M为机电时间常数；

K为开环增益；

步骤2：利用公式(3)求取标准形式下的阶跃响应上升时间t_r：

其中，

步骤3：参考t_r，来确定公式(1)中的T₀，使其与t_r相当，然后用内回路的采样时间ΔT去细分T₀，使得M·ΔT逼近t_r，得到最小期望节拍数M，

步骤4：按式(1)将输入信号曲线的1步分为M步，形成离散后的输入成形控制曲线：

其中，k为计数值

将输入成形控制信号带入控制系统进行测试，所述的控制系统包括稳定控制器、功率放大器、稳定平台和陀螺；在输出饱和非线性的约束下，确定输入曲线的幅值A_m范围：若幅值A_m范围过小，不能满足控制系统稳定性需求，可适当增大T₀进行调整，直到满足要求，并按照A_m对内回路输入信号进行限幅。

2.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。

3.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。