CN115981167A - 扰动抑制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种扰动抑制系统，包括：惯性参考单元，适用于测量在外界扰动信号的作用下惯性参考单元自身发生第一运动的第一角速度和激光光斑的转角；位置控制器适用于根据激光光斑的转角得到第二角速度，速度控制器适用于根据第二角速度和第一角速度生成第一驱动电压；扰动观测机构适用于通过第一端输入的第一驱动电压和通过第二端输入的第一角速度生成用于补偿第一驱动电压的补偿电压，以对外界扰动信号在惯性参考单元处产生的谐振进行补偿；驱动器，适用于根据第一驱动电压和补偿电压对惯性参考单元进行驱动，使惯性参考单元发生第二运动以抵消惯性参考单元在外界扰动信号的作用下发生的第一运动。
Description
技术领域
本发明涉及空间激光通信及伺服控制领域，特别涉及扰动抑制系统。
背景技术
惯性参考单元(IRU，Inertial Reference Unit)，广泛应用于空间激光通信、对地观测、天文任务、航天器在轨测量等领域。在长距离激光通信时，惯性参考单元为高精度的视轴(LOS, the line of sight)指向系统提供一束相对于惯性空间稳定的参考光束。为满足机动化、深空化需求，相关研究已逐渐由固定于地面的系统，逐步扩展到各类运动平台。IRU的平台安装惯性传感器和小型激光器构成的光学系统，平台和基座之间通过柔性铰链进行链接，该柔性铰链固定在弹性支承上，四个音圈电机正交安装并作为执行器对平台进行推挽运动，如何让通过主动控制策略衰减来自载体运动产生的扰动，成为IRU的研究重点。
然而，由于惯性参考单元中采用的是柔性铰链机械结构，使得载体在通过柔性铰链的传递过程中产生低频谐振，谐振处的扰动增益远高于其附近频率，即产生等幅值的扰动，该扰动在谐振频率处的对系统精度的影响远远高于其他频率。但当前多闭环结构不具备对谐振频率处扰动的特殊处理，因此，在通过主动控制进行扰动抑制时，需要进一步考虑如何在保证中低频抑制水平的基础上，提高谐振频率处抑制能力，从而提高惯性参考单元整体的稳定水平。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种扰动抑制系统，通过将扰动观测机构分别与速度控制器连接和惯性参考单元连接，在传统的“位置—速度”多闭环控制基础上，进一步增加了扰动观测机构，能够对外部扰动在惯性参考单元处产生的谐振进行补偿。
作为本发明的一个方面，提供了一种扰动抑制系统，包括：
惯性参考单元，适用于测量在外界扰动信号的作用下惯性参考单元自身发生第一运动的第一角速度和激光光斑的转角；
位置控制器和速度控制器，与惯性参考单元组成多闭环控制结构，位置控制器适用于根据激光光斑的转角得到第二角速度，速度控制器适用于根据第二角速度和第一角速度生成第一驱动电压；
扰动观测机构，扰动观测机构通过第一端与速度控制器连接，通过第二端与惯性参考单元连接，扰动观测机构适用于通过第一端输入的第一驱动电压和通过第二端输入的第一角速度生成用于补偿第一驱动电压的补偿电压，以对外界扰动信号在惯性参考单元处产生的谐振进行补偿；
驱动器，适用于根据第一驱动电压和补偿电压对惯性参考单元进行驱动，使惯性参考单元发生第二运动以抵消惯性参考单元在外界扰动信号的作用下发生的第一运动。
进一步地，扰动观测机构包括：
扰动观测器，适用于根据第一驱动电压以及第一角速度得到外界扰动信号的估计值；
高通滤波器，适用于对外界扰动信号的估计值进行滤波，得到补偿电压。
进一步地，扰动观测器表示如下：
其中，
u表示第一驱动电压，
y表示第一角速度的大小，表示对外界扰动信号的估计值，
ω p 表示谐振的谐振频率，
β i 表示扰动观测器的待调增益，
β i
＞0，
i为1、2、3或4，
b 0表示第一驱动电压的增益，表示对外界扰动信号估计的状态向量，表示外界扰动信号的估计值的状态向量，表示扰动观测器的状态向量，表示扰动观测器的状态向量的微分，和表示惯性参考单元的参数，表示第一角速度的大小的估计值。
进一步地，惯性参考单元包括：
基座；
音圈电机，安装于基座上；
测量模块，安装于音圈电机上，适用于测量第一角速度和激光光斑的转角；
其中，测量模块和基座之间通过柔性铰链连接，外界扰动信号自基座向测量模块传递以使测量模块产生第一运动，同时外界扰动信号在通过柔性铰链的传递过程中产生谐振。
进一步地，惯性参考单元发生第二运动产生第四角速度，第一驱动电压和补偿电压与惯性参考单元发生第二运动时产生的第四角速度之间满足驱动电压-角速度的理论传递函数；
理论传递函数的确定过程包括：
确定惯性参考单元的初始传递函数；
向驱动器施加混合频率的第二驱动电压并同时采集测量模块输出的第三角速度；
根据第二驱动电压和第三角速度对初始传递函数的参数进行拟合，得到理论传递函数。
进一步地，在速度控制器和驱动器之间还设置有谐振补偿器，适用于对第一驱动电压中的目标频率进行抑制，并将频率抑制后的第一驱动电压输送至驱动器。
进一步地，测量模块包括：
平台；
微电子机械系统陀螺仪，安装于平台上，适用于对平台在外界扰动信号的作用下产生的第一频率的角速度进行测量；
基于磁流体动力学的角速度传感器，安装于平台上，适用于对平台在外界扰动信号的作用下产生的第二频率的角速度进行测量；
其中，第一频率小于第二频率，第一角速度包括第一频率的角速度和第二频率的角速度。
进一步地，扰动抑制系统还包括传感融合器，适用于对第一频率角速度和第二频率角速度进行融合，得到第一角速度的信息。
进一步地，测量模块还包括：
激光仪，安装于平台上，适用于发出激光；
进一步地，测量模块还包括：
电荷耦合器件，适用于对由激光得到的激光光斑进行探测，得到激光光斑的转角。
根据本发明的实施例，通过设置扰动观测机构，使得扰动观测机构根据第一驱动电压和第一角速度的信号生成用于补偿第一驱动电压的补偿电压，实现对外界扰动信号在惯性参考单元处产生的谐振进行补偿。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例提供的扰动抑制系统的方框图；
图2示出了根据本发明另一实施例提供的扰动抑制系统的方框图；
图3示出了图1所示的扰动抑制系统的信号图；
图4示出了根据本发明实施例提供的多种扰动抑制系统的惯性参考单元输出的角度曲线；
图5示出了现有技术中的扰动抑制系统的多闭环结构的信号图。
附图标记说明
1-惯性参考单元；
11-基座；
12-音圈电机；
13-测量模块；
131-平台；
132-微电子机械系统陀螺仪；
133-基于磁流体动力学的角速度传感器；
134-激光仪；
135-电荷耦合器件；
14-柔性铰链；
2-驱动器；
3-位置控制器；
4-速度控制器；
5-扰动观测机构；
51-扰动观测器；
52-高通滤波器；
6-谐振补偿器；
7-传感融合器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1示出了根据本发明实施例提供的扰动抑制系统的方框图。
如图1所示，扰动抑制系统包括右侧的模型结构和左侧的控制结构。
左侧的控制结构表示算法部分，该部分表示在控制器实现的算法，右侧的模型结构为硬件结构。扰动抑制系统中包括模型结构中的惯性参考单元1和驱动器2，还包括控制结构中的位置控制器3、速度控制器4、扰动观测机构5。
惯性参考单元1适用于测量在外界扰动信号的作用下惯性参考单元1自身发生第一运动的第一角速度和激光光斑的转角。位置控制器3与惯性参考单元1组成多闭环控制结构，适用于根据激光光斑的转角生成第二角速度，速度控制器4适用于根据第二角速度和第一角速度生成第一驱动电压。扰动观测机构5通过第一端与速度控制器4连接，通过第二端与惯性参考单元1连接，扰动观测机构5适用于通过第一端输入的第一驱动电压和通过第二端输入的第一角速度生成用于补偿第一驱动电压的补偿电压，以对外界扰动信号在惯性参考单元1处产生的谐振进行补偿。驱动器2适用于根据第一驱动电压和补偿电压对惯性参考单元1进行驱动，使惯性参考单元1发生第二运动以抵消惯性参考单元在外界扰动信号的作用下发生的第一运动。
根据本发明的实施例，通过设置扰动观测机构5，且使得扰动观测机构5的第一端与速度控制器4连接，使得扰动观测机构5第二端与惯性参考单元1连接，进而使得扰动观测机构5通过第一端输入的第一驱动电压和通过第二端输入的第一角速度生成用于补偿第一驱动电压的补偿电压，以对外界扰动信号在惯性参考单元1处产生的谐振进行补偿。
图2示出了根据本发明另一实施例提供的扰动抑制系统的方框图。
如图2所示，惯性参考单元1包括：基座11、音圈电机12、测量模块13。音圈电机12安装于基座11上。测量模块13安装于音圈电机12上，测量模块13适用于测量第一角速度和激光光斑的转角。其中，测量模块13和基座11之间通过柔性铰链14连接，外界扰动信号自基座11向测量模块13传递以使测量模块13产生第一运动，同时外界扰动信号在通过柔性铰链14的传递过程中产生谐振。
根据本发明的实施例，测量模块13包括：平台131、微电子机械系统陀螺仪132、基于磁流体动力学的角速度传感器133。微电子机械系统陀螺仪132安装于平台131上，适用于对平台131在外界扰动信号的作用下产生的第一频率的角速度进行测量。基于磁流体动力学的角速度传感器133安装于平台上131，适用于对平台131在外界扰动信号的作用下产生的第二频率的角速度进行测量。其中，第一频率小于第二频率，第一角速度包括第一频率的角速度和第二频率的角速度。
根据本发明的实施例，在上述扰动抑制系统中还包括传感融合器7，适用于对第一频率的角速度和第二频率的角速度进行融合，得到第一角速度，并将该第一角速度发送至速度控制器4。
根据本发明的实施例，测量模块13还包括：激光仪134安装于平台131上，适用于发出激光，该激光的波长可以为680nm。电荷耦合器件（CCD）135适用于对该激光得到的激光光斑进行探测，得到激光光斑的转角，电荷耦合器件135测量得到的激光光斑的转角即为外界扰动信号的作用下平台131转角的信息。
根据本发明的实施例，在速度控制器4和驱动器2之间还设置有谐振补偿器6，适用于对第一驱动电压中的目标频率进行抑制，并将频率抑制后的第一驱动电压输送至驱动器2。
图3示出了图1所示的扰动抑制系统的信号图。
结合图1-图3所示，在外界扰动信号的作用下，基座11产生的转角为
θ d，将转角
θ d进行微分处理，得到基座11的角速度
ω d，基座11的角速度经传递函数
G d(
s)传递至平台131后，平台131获得的角速度为，该角速度经微电子机械系统陀螺仪132和基于磁流体动力学的角速度传感器133探测后引入噪声信号
n，因此传递至速度控制器4和扰动观测机构5的角速度为
ω M，角速度经过积分可得CCD测得的激光光斑的转角
θ，
θ即为位置控制器3接收到的激光光斑的转角，位置控制器3适用于根据激光光斑的转角得到第二角速度
ω ref。
θ r为外部输入至位置控制器3的跟踪参考角度，在本发明的实施例中，
θ r=0，图3中各箭头处的“-”表示对对应的信号进行负反馈控制。
位置控制器3采用PI型控制器，其传递函数形式为：
（1）
式（1）中，
C p(
s)为位置控制器3的传递函数，
K I为积分增益，
K P为比例增益，
s为复频率。
速度控制器4采用Lead-Lag型控制器，其传递函数形式为：
（2）
式（2）中，
C v(
s)为速度控制器4的传递函数，
T 1＞0，
T 2＞0，
K＞0，
C v(
s)且
T 1、
T 2和
K为待调参数，
s为复频率。
根据本发明的实施例，扰动观测机构5包括：扰动观测器51和高通滤波器52。扰动观测器51可以为用于谐振抑制的未知输入扰动观测器，扰动观测器51适用于根据第一驱动电压以及第一角速度得到外界扰动信号的估计值，该外界扰动信号的估计值为一个电压，即估计电压。高通滤波器52适用于对外界扰动信号的估计值进行滤波，得到补偿电压。
根据本发明的实施例，扰动观测器51表示如下：
（3）
其中，在式（3）中，
u表示第一驱动电压，
y表示第一角速度的大小，表示对外界扰动信号的估计值，
ω p 表示谐振的谐振频率，
β i 表示扰动观测器的待调增益，
β i
＞0，
i为1、2、3或4，
b 0表示第一驱动电压的增益，表示对外界扰动信号估计的状态向量，表示外界扰动信号的估计值的状态向量，表示扰动观测器的状态向量，表示扰动观测器的状态向量的微分，和表示惯性参考单元的参数，表示第一角速度的大小的估计值。
根据本发明的实施例，高通滤波器52采用式（4）表示：
（4）
在式（4）中，
Q H(
s)表示高通滤波器52的传递函数，
ω h表示高通滤波器52低频截止频率，
s为复频率。通过高通滤波器52直流至极低频的第一角速度进行隔断，将多闭环的扰动抑制频段进一步细分，将直流至极低频频段的扰动由CCD位置闭环进行抑制。
根据本发明的实施例，惯性参考单元1发生第二运动产生第四角速度，第一驱动电压和补偿电压与第四角速度之间满足理论传递函数
G v(
s)。其中，理论传递函数
G v(
s)的确定过程包括步骤S1-步骤S3。
步骤S1：确定惯性参考单元1的初始传递函数
G vel-theory(
s)。该初始传递函数适用于表征驱动器2施加到音圈电机12的驱动电压
u(
s)与惯性参考单元1的输出角速度
ω a的关系。具体表示如下：
（5）
式（5）中，
u(
s)表示音圈电机12的驱动电压，
ω(
s)表示在驱动电压
u(
s)的作用下惯性参考单元1中平台131的输出角速度，
R表示弹性支承到音圈电机中心的距离，
C m表示音圈电机力系数，
K b表示音圈电机反电势系数，
R a表示音圈电机12的电枢回路电阻，
f m表示平台131的机械阻尼系数，
J表示平台131的转动惯量总和，
K表示弹性支承的弹性系数，
L a表示音圈电机12的电枢回路电感。
步骤S2：向驱动器施加混合频率的第二驱动电压并同时采集测量模块输出的第三角速度。
步骤S3：根据第二驱动电压和第三角速度对初始传递函数的参数进行拟合，得到理论传递函数。可以利用Levy法拟合初始传递函数的参数进行拟合，得到的理论传递函数具体表示如下：
（6）
在式（6）中，
b 0表示Levy法辨识的输入增益，
T a、
a 0和
a 1表示理论传递函数（即辨识的传递函数）的模型参数，在工作频带内，惯性参考单元1可以约为二阶系统。将得到的第四角速度经积分处理，可以得出发生第二运动时，平台131的转动角度。
图4示出了根据本发明实施例提供的多种扰动抑制系统的惯性参考单元输出的角度曲线。
如图4所示，横坐标为时间，单位为秒，纵坐标表示的是惯性参考单元1输出的激光光斑的转角的幅值，单位为毫弧度。
“开环”表示扰动抑制系统在没有进行闭环控制时，即音圈电机12的输入信号恒为0时，惯性参考单元1的输出的激光光斑的转角的大小。MFC+DOB和MFC+UIO均为多闭环控制时惯性参考单元1的输出的激光光斑的转角的大小。
MFC表示多闭环结构，DOB为Ohnishi首次提出的干扰观测器。MFC+DOB表示的是基于DOB的多闭环扰动抑制系统。
UIO表示的是用于谐振抑制的未知输入扰动观测器，MFC+UIO表示的是该扰动抑制系统中扰动观测机构5的组成为高通滤波器（HPF）和用于谐振抑制的未知输入扰动观测器。即图1-图3所示的结构。
通过图3可以发现，在扰动信号相同的条件下，MFC+DOB方案中，幅值在0.4mrad，比较之下，MFC+UIO的幅值在0.04mrad，基本贴近0，所以MFC+UIO的信号幅值更小，通过MFC+UIO的结构，能够实现对扰动更好的抑制（即图中的曲线幅值更小）。
本发明的实施例相对于传统的“位置—速度”多闭环结构（如图5所示）进一步提出补充扰动观测机构的方案，以提高扰动抑制系统在中低频的扰动抑制。相较于MFC+DOB等结构扰动观测机构，本发明实施例提出利用未知输入扰动观测机构对系统的扰动传递特性中的谐振信息进行补充，在保证原有的中低频扰动抑制能力基础上，有效地提高在谐振处的扰动抑制能力，从而提高整体的扰动抑制能力。
根据本发明的实施例，添加了未知输入扰动观测机构的反馈补偿的回路，应用于惯性参考单元的多闭环稳定控制，该控制结构在实际工程中实现较为简单，直观易懂，便于实现。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种扰动抑制系统，其特征在于，包括：
惯性参考单元，适用于测量在外界扰动信号的作用下所述惯性参考单元自身发生第一运动的第一角速度和激光光斑的转角；
位置控制器和速度控制器，与所述惯性参考单元组成多闭环控制结构，所述位置控制器适用于根据所述激光光斑的转角得到第二角速度，所述速度控制器适用于根据所述第二角速度和所述第一角速度生成第一驱动电压；
扰动观测机构，所述扰动观测机构通过第一端与所述速度控制器连接，通过第二端与所述惯性参考单元连接，所述扰动观测机构适用于通过所述第一端输入的所述第一驱动电压和通过所述第二端输入的所述第一角速度生成用于补偿所述第一驱动电压的补偿电压，以对所述外界扰动信号在所述惯性参考单元处产生的谐振进行补偿；
驱动器，适用于根据所述第一驱动电压和所述补偿电压对所述惯性参考单元进行驱动，使所述惯性参考单元发生第二运动以抵消所述惯性参考单元在所述外界扰动信号的作用下发生的所述第一运动。
2.根据权利要求1所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述扰动观测机构包括：
扰动观测器，适用于根据所述第一驱动电压以及所述第一角速度得到所述外界扰动信号的估计值；
高通滤波器，适用于对所述外界扰动信号的估计值进行滤波，得到所述补偿电压。
3.根据权利要求2所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述扰动观测器表示如下：
其中，u表示所述第一驱动电压，y表示所述第一角速度的大小，表示对所述外界扰动信号的估计值，ω p 表示所述谐振的谐振频率，β i 表示所述扰动观测器的待调增益，β i ＞0，i为1、2、3或4，b 0表示所述第一驱动电压的增益，表示对所述外界扰动信号估计的状态向量，表示所述外界扰动信号的估计值的状态向量，表示所述扰动观测器的状态向量，表示所述扰动观测器的状态向量的微分，和表示所述惯性参考单元的参数，表示所述第一角速度的大小的估计值。
4.根据权利要求1所述的扰动抑制系统，其特征在于，
所述惯性参考单元包括：
基座；
音圈电机，安装于所述基座上；
测量模块，安装于所述音圈电机上，适用于测量所述第一角速度和所述激光光斑的转角；
其中，所述测量模块和所述基座之间通过柔性铰链连接，所述外界扰动信号自所述基座向所述测量模块传递以使所述测量模块产生所述第一运动，同时所述外界扰动信号在通过所述柔性铰链的传递过程中产生谐振。
5.根据权利要求4所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述惯性参考单元发生所述第二运动产生第四角速度，所述第一驱动电压和所述补偿电压与所述惯性参考单元发生所述第二运动时产生的所述第四角速度之间满足驱动电压-角速度的理论传递函数；
所述理论传递函数的确定过程包括：
确定所述惯性参考单元的初始传递函数；
向所述驱动器施加混合频率的第二驱动电压并同时采集所述测量模块输出的第三角速度；
根据所述第二驱动电压和所述第三角速度对所述初始传递函数的参数进行拟合，得到所述理论传递函数。
6.根据权利要求1所述的扰动抑制系统，其特征在于，在所述速度控制器和所述驱动器之间还设置有谐振补偿器，适用于对所述第一驱动电压中的目标频率进行抑制，并将频率抑制后的第一驱动电压输送至所述驱动器。
7.根据权利要求5所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述测量模块包括：
平台；
微电子机械系统陀螺仪，安装于所述平台上，适用于对所述平台在所述外界扰动信号的作用下产生的第一频率的角速度进行测量；
基于磁流体动力学的角速度传感器，安装于所述平台上，适用于对所述平台在所述外界扰动信号的作用下产生的第二频率的角速度进行测量；
其中，所述第一频率小于所述第二频率，所述第一角速度包括所述第一频率的角速度和所述第二频率的角速度。
8.根据权利要求7所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述扰动抑制系统还包括传感融合器，适用于对所述第一频率的角速度和所述第二频率的角速度进行融合，得到所述第一角速度。
9.根据权利要求7所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述测量模块还包括：
激光仪，安装于所述平台上，适用于发出激光。
10.根据权利要求9所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述测量模块还包括：
电荷耦合器件，适用于对由所述激光得到的所述激光光斑进行探测，得到所述激光光斑的转角。
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