CN115128958A - 一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法 - Google Patents

一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法 Download PDF

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CN115128958A CN202210869003.3A CN202210869003A CN115128958A CN 115128958 A CN115128958 A CN 115128958A CN 202210869003 A CN202210869003 A CN 202210869003A CN 115128958 A CN115128958 A CN 115128958A
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刘凯凯
蔡华祥
丁宇
赵兴强
周旺平
韦中
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Abstract

本发明公开了一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法，涉及光电跟踪系统目标跟踪控制技术领域，首先在光电跟踪平台上安装光纤陀螺，获得光电跟踪平台在惯性空间运动的旋转角速度，利用频率响应测试仪，采用频域拟合的方式获取光电跟踪平台的高精度速度对象模型；将CCD图像传感器安装在跟踪设备上，获得带有时滞的目标脱靶量信息；再根据获取到的高精度速度对象模型，设计相应的速度控制器；根据设计的速度闭环得到位置被控对象模型，并设计位置控制器；在位置控制器加入负反馈积分环节，将CCD脱靶量与速度给定信号经位置对象模型的输出叠加得到中间信号；将中间信号经过微分和低通滤波器去噪以后，与位置控制器的输出叠加。

Description

一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法
技术领域
本发明属于光电跟踪系统目标跟踪控制技术领域，具体涉及一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法。
背景技术
随着现在科技的不断发展，在光电跟踪系统中，目标跟踪建立在从CCD图像传感器中提取的脱靶量误差信息上，由于CCD清晰成像需要较长的曝光时间，控制系统闭环当中将含有不可忽略的延时，延时会引起相位衰减，对控制稳定性产生负面影响，为了保证系统有足够的裕度，控制器的增益通常被限制在较小的范围内，直接导致系统的跟踪能力不足，为了降低延时对控制稳定性的影响，前人在光电跟踪系统中引入一种广泛应用在工业控制领域的称为Smith预估器的延时补偿方法，Smith预估器基于内模原理，通过剔除了延时的对象模型的输出提前反馈，近似将延时从闭环系统中分离出去，从而提升控制器增益，以提升系统的跟踪能力，文献《Improved Smithpredictor control for fast steering mirrorsystem》(Iop Conference Series:Earth&Environmental Science,2017)以陀螺构建的速度闭环作为被控对象模型构建Smith预估器，提升了Smith预估器在参数摄动下的控制性能；文献《Stabilization Control of Electro-Optical Tracking System with Fiber-Optic Gyroscope Based on Modified Smith Predictor Control Scheme》(IEEESensors Journal，Vol(18)，2018)通过在速度闭环内构建一种带有扰动观测性能的改进型Smith预估器，可以同时降低延时以及外界干扰对控制系统的负面影响。
然而，虽然以上方法可以通过Smith预估器提升增益的能力来增强系统的跟踪能力，但是系统存在的模型不匹配依然会限制增益提升的幅度，导致系统传递特性依然不够理想，系统的跟踪能力依然不能满足需求；为此，现在提出一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法，解决了现有技术中传统Smith预估器由于模型失配的原因，无法大幅提升控制器增益而导致跟踪性能不足的技术问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法，方法包括以下步骤：
在光电跟踪平台上安装光纤陀螺，来获得光电跟踪平台在惯性空间运动的旋转角速度，利用频率响应测试仪，采用频域拟合的方式获取光电跟踪平台的高精度速度对象模型
Figure BDA0003760172240000021
将CCD图像传感器安装在跟踪设备上，获得带有时滞的目标脱靶量信息；
根据获取到的高精度速度对象模型
Figure BDA0003760172240000022
设计
Figure BDA0003760172240000023
相应的速度控制器Cv，实现速度闭环；根据设计的速度闭环得到位置被控对象模型
Figure BDA0003760172240000024
并设计位置控制器Cp，实现位置闭环；
在位置环构建经典Smith预估器结构，在位置控制器加入负反馈积分环节1/s，构建快速位置环；将CCD脱靶量与速度给定信号经位置对象模型
Figure BDA0003760172240000025
的输出叠加得到中间信号r，作为快速位置环的输入；
将中间信号r经过微分和低通滤波器F去噪以后，用作前馈输入，与位置控制器Cp的输出叠加，作为速度环的给定。
进一步地，所述光纤陀螺的采样率高，滞后时间小。
进一步地，所述光纤陀螺的滞后时间忽略不计。
进一步地，所述CCD图像传感器噪声低，动态范围大，采样率低。
进一步地，所述CCD图像传感器的滞后时间不能忽略。
进一步地，运用零极点抵消方法设计速度控制器Cv，将补偿后的开环对象构造成Ⅰ型系统，考虑到速度闭环带宽很高，在低频较宽的频段将速度闭环的传递函数
Figure BDA0003760172240000031
理想化为传递模型1，得出位置对象模型为
Figure BDA0003760172240000032
其中τm为通过辨识得到的系统时滞τ的模型，将位置控制器Cp设计为比例控制器。
进一步地，得到的系统误差传递函数如下：
Figure BDA0003760172240000033
其中，τ≈τm＜＜1，当s→0时，由于
Figure BDA0003760172240000034
误差传递函数
Figure BDA0003760172240000035
进一步地，所述系统误差传递函数在改进后如下：
Figure BDA0003760172240000036
其中，τ≈τm＜＜1，当s→0时，由于
Figure BDA0003760172240000037
且低通滤波器F→1，误差传递函数S1＝0。
进一步地，S1＜S0说明引入的前馈能显著改善系统低频跟踪能力。
本发明的有益效果：
本发明在使用的过程中，首先在光电跟踪平台上安装光纤陀螺，来获得光电跟踪平台在惯性空间运动的旋转角速度，利用频率响应测试仪，采用频域拟合的方式获取光电跟踪平台的高精度速度对象模型
Figure BDA0003760172240000038
然后将CCD图像传感器安装在跟踪设备上，获得带有时滞的目标脱靶量信息；再根据获取到的高精度速度对象模型
Figure BDA0003760172240000039
设计
Figure BDA00037601722400000310
相应的速度控制器Cv，实现速度闭环；根据设计的速度闭环得到位置被控对象模型
Figure BDA00037601722400000311
并设计位置控制器Cp，实现位置闭环；在位置环构建经典Smith预估器结构，在位置控制器加入负反馈积分环节1/s，构建快速位置环；将CCD脱靶量与速度给定信号经位置对象模型
Figure BDA00037601722400000312
的输出叠加得到中间信号r，作为快速位置环的输入；将中间信号r经过微分和低通滤波器F去噪以后，与位置控制器Cp的输出叠加，作为速度环的给定；解决了Smith预估器由于模型失配而导致的低频传递特性不足的问题，通过引入前馈，继续改进系统的传递特性能够复用被控对象的模型信息，基于模型构建额外的前馈支路，继续挖掘系统的潜能；思路清晰，结构简单，工程上易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的控制框图；
图2是本发明相对于速度位置双闭环、添加了传统Smith预估器的双闭环的误差抑制能力对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法，方法包括以下步骤：
在光电跟踪平台上安装光纤陀螺，来获得光电跟踪平台在惯性空间运动的旋转角速度，利用频率响应测试仪，采用频域拟合的方式获取光电跟踪平台的高精度速度对象模型
Figure BDA0003760172240000041
将CCD图像传感器安装在跟踪设备上，获得带有时滞的目标脱靶量信息；
根据获取到的高精度速度对象模型
Figure BDA0003760172240000042
设计
Figure BDA0003760172240000043
相应的速度控制器Cv，实现速度闭环；根据设计的速度闭环得到位置被控对象模型
Figure BDA0003760172240000044
并设计位置控制器Cp，实现位置闭环；
在位置环构建经典Smith预估器结构，在位置控制器加入负反馈积分环节1/s，构建快速位置环；将CCD脱靶量与速度给定信号经位置对象模型
Figure BDA0003760172240000051
的输出叠加得到中间信号r，作为快速位置环的输入；
将中间信号r经过微分和低通滤波器F去噪以后，用作前馈输入，与位置控制器Cp的输出叠加，作为速度环的给定。
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，所述光纤陀螺的采样率高，滞后时间小。
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，所述光纤陀螺的滞后时间忽略不计。
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，所述CCD图像传感器噪声低，动态范围大，采样率低。
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，所述CCD图像传感器的滞后时间不能忽略。
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，运用零极点抵消方法设计速度控制器Cv，将补偿后的开环对象构造成Ⅰ型系统，考虑到速度闭环带宽很高，在低频较宽的频段将速度闭环的传递函数
Figure BDA0003760172240000052
理想化为传递模型1，得出位置对象模型为
Figure BDA0003760172240000053
其中τm为通过辨识得到的系统时滞τ的模型，将位置控制器Cp设计为比例控制器。
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，得到的系统误差传递函数如下：
Figure BDA0003760172240000054
其中，τ≈τm＜＜1，当s→0时，由于
Figure BDA0003760172240000061
误差传递函数
Figure BDA0003760172240000062
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，所述系统误差传递函数在改进后如下：
Figure BDA0003760172240000063
其中，τ≈τm＜＜1，当s→0时，由于
Figure BDA0003760172240000064
且低通滤波器F→1，误差传递函数S1＝0。
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，S 1 ＜S 0说明引入的前馈能显著改善系统低频跟踪能力。
下面以某一光电跟踪平台系统为例对本发明的设计过程和实验效果进行详细说明：
(1)通过频域响应拟合的方式得到系统的速度传递函数模型如下，因为拟合精度高，设计过程中可以把拟合模型当作真实对象。
Figure BDA0003760172240000065
(2)CCD图像传感器的采样率为50Hz，通过频域拟合得到时滞为0.02s。
(3)根据速度模型，利用零极点抵消方法，设计的速度控制器如下：
Figure BDA0003760172240000066
速度闭环构建完成以后，则位置对象模型近似为
Figure BDA0003760172240000067
位置控制器增益设计为Cp＝20。
(4)添加了Smith预估控制器以后，位置控制器的增益可以提升为Cp＝50。
(5)对当前时刻目标轨迹信号进行微分，并经滤波去噪后，用作前馈输入，与位置控制器的输出叠加，作为速度闭环的给定信号。其中选取的滤波器为
Figure BDA0003760172240000068
在相同实验条件下，对比速度位置双闭环、添加传统Smith预估器以及前馈改进的Smith预估器控制方法的误差抑制残差，图2是本发明的误差抑制能力对比图，它是由不同频率下的误差与给定输入之间的幅值比取对数绘制而成。与速度位置双闭环结构相比，添加传统的Smith预估器以后的低频误差抑制能力有所提升，但是误差抑制能力依然有限，当使用了前馈改进的Smith预估器以后，系统在低频的误差抑制能力进一步得到了提升，虽然前馈中的微分在高频会部分放大噪声而导致高频抑制能力有所下降，但是本发明对低频误差的抑制效果特别适合于信号主要分布在低频的远距离目标的跟踪。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内容。

Claims (9)

1.一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
在光电跟踪平台上安装光纤陀螺，来获得光电跟踪平台在惯性空间运动的旋转角速度，利用频率响应测试仪，采用频域拟合的方式获取光电跟踪平台的高精度速度对象模型
Figure FDA0003760172230000011
将CCD图像传感器安装在跟踪设备上，获得带有时滞的目标脱靶量信息；
根据获取到的高精度速度对象模型
Figure FDA0003760172230000012
设计
Figure FDA0003760172230000013
相应的速度控制器Cv，实现速度闭环；根据设计的速度闭环得到位置被控对象模型
Figure FDA0003760172230000014
并设计位置控制器Cp，实现位置闭环；
在位置环构建经典Smith预估器结构，在位置控制器加入负反馈积分环节1/s，构建快速位置环；将CCD脱靶量与速度给定信号经位置对象模型
Figure FDA0003760172230000015
的输出叠加得到中间信号r，作为快速位置环的输入；
将中间信号r经过微分和低通滤波器F去噪以后，用作前馈输入，与位置控制器Cp的输出叠加，作为速度环的给定。
2.根据权利要求1所述的一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法，其特征在于，所述光纤陀螺的采样率高，滞后时间小。
3.根据权利要求2所述的一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法，其特征在于，所述光纤陀螺的滞后时间忽略不计。
4.根据权利要求1所述的一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法，其特征在于，所述CCD图像传感器噪声低，动态范围大，采样率低。
5.根据权利要求4所述的一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法，其特征在于，所述CCD图像传感器的滞后时间不能忽略。
6.根据权利要求1所述的一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法，其特征在于，运用零极点抵消方法设计速度控制器Cv，将补偿后的开环对象构造成Ⅰ型系统，考虑到速度闭环带宽很高，在低频较宽的频段将速度闭环的传递函数
Figure FDA0003760172230000021
理想化为传递模型1，得出位置对象模型为
Figure FDA0003760172230000022
其中τm为通过辨识得到的系统时滞τ的模型，将位置控制器Cp设计为比例控制器。
7.根据权利要求1所述的一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法，其特征在于，得到的系统误差传递函数如下：
Figure FDA0003760172230000023
其中，τ≈τm＜＜1，当s→0时，由于
Figure FDA0003760172230000024
得出系统误差传递函数
Figure FDA0003760172230000025
8.根据权利要求1所述的一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法，其特征在于，所述系统误差传递函数在改进后如下：
Figure FDA0003760172230000026
其中，τ≈τm＜＜1，当s→0时，由于
Figure FDA0003760172230000027
且低通滤波器F→1，得到系统误差传递函数S1＝0。
9.根据权利要求8所述的一种前馈改进Smith预估器的光电跟踪控制方法，其特征在于，S1＜S0说明引入的前馈能显著改善系统低频跟踪能力。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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