CN117526803A - 基于频率自适应观测的扰动抑制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于频率自适应观测的扰动抑制系统，包括惯性参考单元基座和平台，平台上有激光器和传感装置，激光器在发生第一运动时发射激光，以测量第一转角，传感装置测量第一角速度；控制单元根据第一转角和目标转角得到第一目标角速度；扰动观测单元包括第一观测器根据第一角速度和第一驱动电压得到第一观测频率；第二观测器根据第一角速度和第一驱动电压生成第一观测角速度，控制单元根据第一观测角速度和第一目标角速度生成第一角速度差，第二观测器根据第一角速度和第一观测频率生成第一补偿角速度，控制单元根据第一补偿角速度和第一角速度差生成第二驱动电压；驱动器根据第二驱动电压驱动平台以第一目标角速度发生第二运动，平台转动至目标转角。

Description

基于频率自适应观测的扰动抑制系统

技术领域

本发明涉及空间激光通信及伺服控制领域，特别涉及基于频率自适应观测的扰动抑制系统。

背景技术

惯性参考单元可以为视轴稳定系统提供相对于惯性空间的稳定参考激光。但是，惯性参考单元机械结构引起的谐振，系统运行时，外部设备、内部温度以及惯性传感器的测量噪声，都会影响惯性参考单元的输出的稳定参考激光的精度。目前，还需优化惯性参考单元的控制系统的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于频率自适应观测的扰动抑制系统，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一，可以减小由于外界扰动信号和内部干扰信号引起的转动误差，从而可以提高激光器输出激光的精度。

本发明的一个方面的实施例提供了一种基于频率自适应观测的扰动抑制系统，包括：惯性参考单元，包括基座和平台，上述平台通过电机与上述基座连接，上述平台上安装有激光器和传感装置，上述激光器被配置为在上述电机驱动平台发生第一运动时发射激光，以基于上述激光测量上述平台发生第一运动的第一转角，上述传感装置被配置为测量上述平台发生第一运动的第一角速度；控制单元，被配置为响应于第二运动指令，根据上述第一转角和上述第二运动指令的目标转角，得到上述平台转动至上述目标转角需要的第一目标角速度；扰动观测单元，包括：第一观测器，被配置为根据上述第一角速度和上述控制单元在上述平台发生第一运动时输出的第一驱动电压，得到第一观测频率，上述第一观测频率表征总扰动信号的频率，上述总扰动信号包括外界扰动信号和由传感装置引起的内部干扰信号；第二观测器，被配置为根据上述第一角速度和上述第一驱动电压生成第一运动的第一观测角速度，上述控制单元根据上述第一观测角速度和上述第一目标角速度生成第一角速度差，上述第二观测器根据上述第一角速度和上述第一观测频率生成用于补偿上述总扰动信号的第一补偿角速度，上述控制单元根据上述第一补偿角速度和上述第一角速度差生成用于驱动上述平台转动至上述第一目标角速度的第二驱动电压；驱动器，被配置为根据上述第二驱动电压驱动上述电机带动上述平台以第一目标角速度发生第二运动，使上述平台转动至上述目标转角。

可选的，扰动抑制系统还包括：辅助滤波器，连接在上述扰动观测单元和上述惯性参考单元之间，上述辅助滤波器被配置为根据上述第一角速度和上述第一驱动电压得到第二目标角速度和第一干扰角速度；上述第二目标角速度表征为在发生第一运动前，上述控制单元响应于第一运动指令得到的驱动平台转动的角速度，上述第一干扰角速度表征为在上述第一运动过程中由总扰动信号导致的平台转动的角速度；其中，上述第一观测器基于上述第一干扰角速度得到上述第一观测频率，上述第二观测器基于上述第一观测频率和上述第二目标角速度生成上述第一补偿角速度，上述第二观测器基于上述第二目标角速度、上述第一干扰角速度和上述第一驱动电压生成上述第一观测角速度。

可选的，上述控制单元包括：位置环控制器，被配置为在根据上述第一转角和目标转角得到转角差值后，根据上述转角差值得到用以驱动上述平台转动上述转角差值的转角驱动电压；微分跟踪器，根据上述转角驱动电压得到上述第一目标角速度；速度环控制器，被配置为在根据上述第一补偿角速度和上述第一角速度差生成用于调节上述第一角速度至上述第一目标角速度的调节角速度后，基于上述调节角速度生成上述第二驱动电压，以使上述驱动器基于上述第二驱动电压驱动上述平台转动至上述目标转角。

可选的，上述辅助滤波器根据上述第一驱动电压生成第一补偿电压，上述驱动器根据上述第二驱动电压和上述第一补偿电压驱动上述惯性参考单元发生上述第二运动，使上述平台转动至上述目标转角。

可选的，上述第一观测器包括：跟踪微分器，被配置为基于上述第一干扰角速度得到上述第一观测频率。

可选的，上述第一观测器还包括：重置时钟，被配置为基于上述跟踪微分器在上述平台发生第一运动时输出的初始观测频率，得到比较信号；积分观测器，被配置为基于上述比较信号得到比较频率，在上述第一观测频率与上述比较频率的差值超过预设值的情况下，将上述初始观测频率的频率值更新为上述第一观测频率的频率值。

可选的，上述第二观测器被配置为基于上述第二目标角速度、上述第一驱动电压和上述第二观测器中储存的初始转角、初始观测角速度和初始补偿角速度得到更新后的上述第一补偿角速度。

可选的，上述第二观测器被配置为基于上述第二目标角速度和初始观测角速度，利用谐振观测传递函数和正弦扰动传递函数得到更新后的上述第一干扰角速度。

可选的，上述辅助滤波器被配置为基于上述第一角速度和上述第一驱动电压利用名义模型传递函数得到角速度扰动值，基于上述角速度扰动值利用低通滤波器得到第一补偿电压。

可选的，上述辅助滤波器被配置为基于上述角速度扰动值，利用上述低通滤波器得到第一干扰角速度，基于上述角速度扰动值，利用高通滤波器得到第二目标角速度。

根据本发明实施例，根据平台发生第一运动时的第一角速度和控制单元驱动平台发生第一运动时输出的第一驱动电压，利用第一观测器可以得到表征总扰动信号的第一观测频率。根据第一观测频率，利用第二观测器可以得到用于补偿总扰动信号的第一补偿角速度。利用第二观测器根据平台发生第一运动时的第一观测角速度和第一目标角速度生成第一角速度差。利用第一观测器根据第一补偿角速度和第一角速度差生成用于驱动平台转动至第一目标角速度的第二驱动电压。由于，总扰动信号包括外界扰动信号和由传感装置引起的内部干扰信号，因此，利用得到的第二驱动电压驱动平台转动，可以减小由于外界扰动信号和内部干扰信号引起的转动误差，从而可以提高激光器输出激光的精度。

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示出了根据本发明再一实施例提供的扰动抑制系统的方框图；

图4示出了根据本发明实施例提供的第一观测器的方框图；

图5示出了根据本发明实施例提供的第二观测器的方框图，图中示出了第一观测器；

图6示出了根据本发明实施例提供的辅助滤波器的方框图，图中示出惯性参考单元；

图7示出了根据本发明实施例提供的扰动抑制系统的实验对比图。

1、惯性参考单元；

11、基座

12、平台；

13、电机；

14、激光器；

15、传感装置；

151、MHD角速度传感器；

152、MEMS陀螺仪；

16、柔性铰链；

2、控制单元；

21、位置环控制器；

22、微分跟踪器；

23、速度环控制器；

3、扰动观测单元；

31、第一观测器；

311、跟踪微分器；

312、重置时钟；

313、积分观测器；

32、第二观测器；

4、驱动器；

5、辅助滤波器。

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。

在设计扰动抑制系统时，可以通过扰动的观测实现扰动的抑制，提高扰动抑制系统的带宽和鲁棒性，从而改善系统的扰动抑制性能。申请人发现，载体部件的周期性运动产生的外部干扰可以表征为正弦干扰，惯性参考单元1上传感器的噪声会限制观测的带宽和阶数，因此，在设计扰动抑制系统时，可以基于抑制正弦干扰和抑制传感器的噪声设计。

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，本发明提供了一种基于频率自适应观测的扰动抑制系统。扰动抑制系统包括惯性参考单元1、控制单元2、扰动观测单元3和驱动器4。惯性参考单元1包括基座11和平台12。驱动器4可以为线性驱动器。平台12通过电机13与基座11连接，电机13可以为音圈电机，基座11可以安装在载体上。平台12与基座11之间可以通过柔性铰链16连接，电机13在基座11四周与柔性铰链16共同为平台12提供两个方向的自由度。平台12上安装有激光器14和传感装置15。激光器14被配置为在电机13驱动平台12发生第一运动时发射激光，以基于激光测量平台12发生第一运动的第一转角θ_CCD。传感装置15被配置为测量平台12发生第一运动的第一角速度ω_m。控制单元2被配置为响应于第二运动指令，根据第一转角θ_CCD和第二运动指令的目标转角θ_r，得到平台12转动至目标转角θ_r需要的第一目标角速度。

根据本发明实施例，可在发生第一运动之前，可以先驱动电机13控制平台12相对于惯性空间静止，且相对于惯性空间的转角为零度，以为后期的测量做参考。具体地，外界扰动信号通过基座11后经过柔性铰链16传递至平台上，柔性铰链16的低刚度特性可以消除大部分的高频扰动，剩余的低频扰动经平台12上的传感装置15测量后传至上位机。上位机根据传感装置15反馈的角速度与角位置信号，可以产生相应的驱动电压。经过陷波器消除机械谐振后，通过驱动器4使电机13产生与外界扰动信号相反的驱动力矩，从而可以使平台12相对于惯性空间静止，且相对于惯性空间的转角为零度。

传感装置15可以包括MHD角速度传感器151和MEMS陀螺仪152，可以分别用于测量平台12相对于惯性空间的高频角速度和平台12相对于惯性空间的低频角速度。将低频角速度和高频角速度融合后可以得到第一角速度。可以利用CCD相机得到第一转角。具体地，在激光发射到CCD相机上后，通过光斑的脱靶量可以得到第一转角。

第一角速度可以是在平台12发生第一运动后，平台相对于惯性空间的角速度。第一转角可以是在平台12发生第一运动后，平台相对于惯性空间的转角。目标转角可以是在发生第二运动后的预期转角。扰动观测单元3和控制单元2可以形成控制回路，协同控制平台转动。利用第一角速度，控制单元2和第二观测器32可以构成角速度环闭环的稳定控制结构。利用第一转角，控制单元2可以构成角位置闭环的跟踪控制结构。

根据本发明实施例，可以将惯性参考单元1中存在的内扰动信号和外界扰动信号作为总扰动信号，建立惯性参考单元1的状态空间方程。惯性参考单元1的状态空间方程可以表示如下：

其中，

其中，可以表示为状态向量x的微分方程形式。x₁＝∫ωdt，x₁可以表示为惯性参考单元1的角位移，ω可以表示为惯性参考单元1的角速度，t可以表示为惯性参考单元1转动的时间。x₂＝ω，x₂可以表示为惯性参考单元1的角速度。x₃＝f，x₃可以表示为系统扰动信号，即惯性参考单元1的总扰动频率。总扰动频率可以包括惯性参考单元1受外界扰动信号和由传感装置15引起的内部干扰信号产生的扰动频率。a₀、a₁和b₀可以表示为惯性参考单元1的参数，a₀、a₁和b₀可以为已知常数。h可以为总扰动信号的微分。u可以为驱动器4驱动惯性参考单元1运动的电压。

进一步地，如图1所示，扰动观测单元3包括第一观测器31和第二观测器32。第一观测器31被配置为根据第一角速度ω_m和控制单元2在平台12发生第一运动时输出的第一驱动电压u，得到第一观测频率f_i。第一观测频率f_i可以表征为总扰动信号的频率。总扰动信号包括外界扰动信号和由传感装置15引起的内部干扰信号。第一观测器31可以是频率观测器。第二观测器32可以是广义扩张状态观测器。第一驱动电压u可以是控制单元2在平台12发生第一运动时输出的用于控制电机13转动的电压。

进一步地，第二观测器32被配置为根据第一角速度ω_m和第一驱动电压u生成第一运动的第一观测角速度z₂。控制单元2根据第一观测角速度z₂和第一目标角速度生成第一角速度差。第二观测器32根据第一角速度ω_m和第一观测频率f_i生成用于补偿总扰动信号的第一补偿角速度z₃。控制单元2根据第一补偿角速度z₃和第一角速度差生成用于驱动平台12转动至第一目标角速度的第二驱动电压u_b。第一观测角速度可以表征为平台12在发生第一运动时的观测角速度。

进一步地，驱动器4被配置为根据第二驱动电压u_b驱动电机13带动平台12以第一目标角速度发生第二运动，使平台12转动至目标转角。

根据本发明实施例，根据平台12发生第一运动时的第一角速度和控制单元2驱动平台12发生第一运动时输出的第一驱动电压，利用第一观测器31可以得到表征总扰动信号的第一观测频率。根据第一观测频率，利用第二观测器32可以得到用于补偿总扰动信号的第一补偿角速度。利用第二观测器32根据平台12发生第一运动时的第一观测角速度和第一目标角速度生成第一角速度差。利用第一观测器31根据第一补偿角速度和第一角速度差生成用于驱动平台12转动至第一目标角速度的第二驱动电压。由于，总扰动信号包括外界扰动信号和由传感装置15引起的内部干扰信号，因此，利用得到的第二驱动电压驱动平台12转动，可以减小由于外界扰动信号和内部干扰信号引起的转动误差，从而可以提高激光器14输出激光的精度。

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，根据本发明实施例，扰动抑制系统还包括辅助滤波器5。辅助滤波器5连接在扰动观测单元3和惯性参考单元1之间。辅助滤波器5被配置为根据第一角速度ω_m和第一驱动电压u得到第二目标角速度ω'和第一干扰角速度ω'_d。第二目标角速度ω'表征为在发生第一运动前，控制单元2响应于第一运动指令得到的驱动平台12转动的角速度即，第二目标角速度ω'可以表征为在不受外界扰动信号和内部干扰信号的情况下，平台12发生第一运动时的角速度，即第二目标角速度可以表示为惯性参考单元1的状态空间方程中的角速度x₂。第一干扰角速度表征为在第一运动过程中由总扰动信号导致的平台12转动的角速度，第一干扰角速度ω'_d可以表示为惯性参考单元1的状态空间方程中与系统扰动x₃对应的角速度。

根据本发明实施例，第一观测器31基于第一干扰角速度ω'_d得到第一观测频率f_i。第二观测器32基于第一观测频率f_i和第二目标角速度ω'生成第一补偿角速度z₃。第二观测器32基于第二目标角速度ω'、第一干扰角速度ω'_d和第一驱动电压u生成第一观测角速度z₂。

图3示出了根据本发明再一实施例提供的扰动抑制系统的方框图。

如图3所示，根据本发明实施例，控制单元2包括位置环控制器21、微分跟踪器22和速度环控制器23。位置环控制器21被配置为在根据第一转角θ_CCD和目标转角θ_r得到转角差值e₁后，根据转角差值e₁得到用以驱动平台12转动转角差值的转角驱动电压u₁。转角差值可以表征为第一转角和目标转角做差后的值。转角驱动电压可以是在不受外界扰动信号和内部干扰信号的情况下，利用转角驱动电压驱动电机13转动后，平台12可以转动转角差值，即可以转动至目标转角。位置环控制器21可以选用比例-积分(PI)控制器，从而可以具有较快的反应角速度，并且不会增强高频噪声。

如图3所示，在惯性参考单元1进行工作时，外部会输入一个转动至目标转角θ_r的第二运动指令，在将第一转角θ_CCD传输至控制单元2后，控制单元2通过将第一转角θ_CCD和目标转角θ_r相减后，可以得到用于控制转角位置的转角差值e₁，转角差值e₁在经过位置环控制器21的增益后，可以得到用于驱动平台12转动转角差值e₁的转角驱动电压u₁，从而使惯性参考单元1发射的激光可以转动至目标转角θ_r。

进一步地，由于在存在外界扰动信号θ_b时，仅使用位置环控制器21并不能抑制外界扰动信号θ_b对转角驱动电压u₁造成的影响，即，不能实现惯性参考单元1发射的激光精准地转动至目标转角θ_r。可以通过增加角速度环闭环控制，提高惯性参考单元1发射的激光转动至目标转角θ_r的精准性。

根据本发明实施例，微分跟踪器22根据转角驱动电压得到第一目标角速度。速度环控制器23被配置为在根据第一补偿角速度和第一角速度差生成用于调节第一角速度至第一目标角速度的调节角速度后，基于调节角速度生成第二驱动电压，以使驱动器4基于第二驱动电压驱动平台12转动至目标转角。通过调节角速度可以补偿由外界扰动信号和内部干扰信号导致的角速度差。

如图3所示，根据本发明的实施例，在IRU系统进行工作时，转角驱动电压u₁经过微分跟踪器22微分后可以得到第一目标角速度v₁，第一目标角速度v₁再减去由第二观测器32得到的表征惯性参考单元1的角速度x₂的观测量的第一观测角速度z₂后，可以得到用于控制平台的角速度达到第一观测角速度z₂的第一角速度差e₂。

进一步地，由于外界扰动信号θ_b和内扰动信号，使第一角速度差e₂存在一定误差。可以经过将第一角速度差e₂比例增益后减去第二观测器32得到的表征系统扰动信号x₃的观测量的第一补偿角速度z₃，得到第二角速度差e′₂。速度环控制器23对第二角速度差e′₂增益后可以得到用于控制电机13转动第二角速度差e′₂的第二驱动电压u_b。第二驱动电压u_b减去辅助滤波器5输出的第一补偿电压u'后，以电压的形式输入到驱动器4，驱动器4控制惯性参考单元1的音圈电机产生响应的速度与位移，驱动平台12转动至目标转角，从而实现对外界扰动的抑制与对输入信号的跟踪。

根据本发明实施例，可以在对惯性参考单元1进行模型辨识后，并根据辨识结果设计速度环控制器23，从而保证扰动抑制能力的同时减小角速度环陀螺漂移对控制回路的影响。速度环控制器23可以如下表示：

其中，C_v(s)可以表征为速度环控制器23，K_vn可以表征为可调节的速度环控制器23的增益，p₁和p₂可以表征为惯性参考单元1的角速度环辨识模型的极点，s可以表示为速度环控制器传递函数的复变量。

图4示出了根据本发明实施例提供的第一观测器的方框图。

如图4所示，根据本发明实施例，第一观测器31包括跟踪微分器311。跟踪微分器311被配置为基于第一干扰角速度得到第一观测频率。根据本发明的实施例，跟踪微分器311将第一干扰角速度ω'_d微分后，可以得到微分值基于第一干扰角速度ω'_d和微分值可以得到第一观测频率f_i。

如图4所示，根据本发明实施例，第一观测器31还包括重置时钟312和积分观测器313。重置时钟312被配置为基于跟踪微分器311在平台12发生第一运动时输出的初始观测频率，得到比较信号。积分观测器313被配置为基于比较信号得到比较频率，在第一观测频率与比较频率的差值超过预设值的情况下，将初始观测频率的频率值更新为第一观测频率的频率值。

根据本发明的实施例，重置时钟312可以基于跟踪微分器311在平台12发生第一运动时输出的初始观测频率，得到比较信号，比较信号经过积分观测器313后可以得到比较频率f_id。通过将积分观测器313输出的比较频率f_id与第一观测器31输出的第一观测频率f_i对比，确定第一观测频率与比较频率的差值是否超过预设值，在确定第一观测频率与比较频率的差值超过预设值的情况下，向积分观测器313发送重置指令，将初始观测频率的频率值更新为第一观测频率的频率值，在确定第一观测频率与比较频率的差值未超过预设值的情况下，第一观测频率f_i经变化滤波后，输出至第二观测器32。

根据本发明实施例，通过设置第一观测器31可以实时估计惯性参考单元1的总扰动信号的频率。第一观测器31输出的第一观测频率可以如下表示：

式中，f_i为第一观测频率，ω′_d可以表示为第一干扰角速度，可以表示为第一干扰角速度的微分。在|f_id-f_i|≤ε，认为频率未发生变化；当|f_id-f_i|＞ε，认为频率发生变化。ε可以表示为预设值。

根据本发明实施例，第二观测器32被配置为基于第二目标角速度、第一驱动电压和第二观测器32中储存的初始转角、初始观测角速度和初始补偿角速度得到更新后的第一补偿角速度。

根据本发明实施例，第二观测器32被配置为基于第二目标角速度和初始观测角速度，利用谐振观测传递函数和正弦扰动传递函数得到更新后的第一干扰角速度。

根据本发明实施例，在利用第一观测器31得到第一观测频率后，可以设计带有频率自适应的第二观测器32，以增强对总扰动信号的扰动抑制能力，从而可以提高惯性参考单元1的稳定精度。频率自适应的第二观测器32可以如下表示：

其中，H(s)＝H_rf(s)+H_υf(s)；

其中，可以为公式(2)中x₁、x₂、x₃的观测量。β₁、β₂和β₃为第二观测器32的增益，可以以保证扰动抑制系统的稳定性为约束条件确定β₁、β₂和β₃的值。H_rf(s)表示为惯性参考单元1的谐振观测传递函数，可以用于惯性参考单元1的谐振，H_vf(s)表示为惯性参考单元1的正弦扰动传递函数，可以用于表示惯性参考单元1的正弦扰动。k_rf和k_vf可以分别表示为H_rf(s)和H_vf(s)的增益。ω_rf可以表示为惯性参考单元1的谐振频率，ω_vf可以表示为第一观测器31的输出的第一观测频率，ξ_vf可以表示为阻尼项，可以用于增加控制回路的带宽。

图5示出了根据本发明实施例提供的第二观测器的方框图，图中示出了第一观测器。

如图5所示，根据本发明的实施例，第二目标角速度ω'积分后可以得到与第二目标角速度ω'对应的角位移的观测值z₁，并将上一采样时刻采集的角位移观测值z'₁更新为角位移的观测值z₁。

根据本发明的实施例，第一驱动电压u乘增益b₀后的值与第一角速度ω_m乘增益β₂后的值、上一采样时刻的角位移的观测值z'₁乘增益-a₀后的值、上一采样时刻的角速度的观测值z'₂乘增益-2ω₀后的值和上一采样时刻的总扰动的观测值z'₃相加后，再经过积分，可以得到更新后的角速度的观测值z₂，即第一观测角速度。

根据本发明的实施例，第二目标角速度ω'减去上一采样时间的角速度的观测值z'₂，可以得到的角速度变化值。角速度变化值经增益β₃后生成中间值。中间值经过积分后的第一输出值、中间值经过惯性参考单元1的谐振观测传递函数H_rf(s)后的第二输出值、中间值同第一观测频率f_i经过惯性参考单元1的正弦扰动传递函数H_vf(s)后的第三输出值相加后，可以得到更新后的总扰动的观测值z₃，即第一补偿角速度。

根据本发明实施例，辅助滤波器5根据第一驱动电压生成第一补偿电压，驱动器4根据第二驱动电压和第一补偿电压驱动惯性参考单元1发生第二运动，使平台12转动至目标转角。

根据本发明实施例，辅助滤波器5被配置为基于第一角速度和第一驱动电压利用名义模型传递函数得到角速度扰动值，基于角速度扰动值利用低通滤波器得到第一补偿电压。

根据本发明实施例，辅助滤波器5被配置为基于角速度扰动值，利用低通滤波器得到第一干扰角速度，基于角速度扰动值，利用高通滤波器得到第二目标角速度。

如图3所示，根据本发明的实施例，在基座11受外界扰动信号θ_b后，经惯性参考单元1的柔性铰链16的被动传递特性后，外界扰动信号θ_b中的高频部分被衰减，传递到惯性参考单元1的残余角扰动为θ_d，在经过微分后，外界扰动信号θ_b传递到平台12上的扰动引起的角速度可以表示为扰动角速度ω_d。扰动角速度ω_d与平台12自身由音圈电机驱动的角速度叠加后为平台12转动的实际角速度ω_k。实际角速度ω_k由传感装置15测量后得到平台12角速度的测量值，即第一角速度ω_m。第一角速度ω_m经辅助滤波器5分离后可以得到第二目标角速度ω'和第一干扰角速度ω'_d。第一干扰角速度ω'_d经由第一观测器31后可以得到与第一干扰角速度ω'_d对应的第一观测频率f_i。第二观测器32根据第一观测频率f_i和第二目标角速度ω'，可以得到第二目标角速度ω'的观测值和系统扰动x₃的观测值，即第一观测角速度z₂和第一补偿角速度z₃。第一观测角速度z₂和第一补偿角速度z₃作为反馈量分别经由控制单元2减去后，从而可以得到第二角速度差e'₂，利用第二角速度差e'₂生成第二驱动电压u_b控制平台12转动，进而可以角速度的闭环控制。

根据本发明实施例，辅助滤波器5可以包括低通滤波器。可以利用低通滤波器将惯性参考单元1受到的外界扰动信号和由传感装置15引起的内部干扰信号分离。具体地，可以建立如下传递函数：

其中，G_n(s)为角速度环闭环中被控对象的名义模型传递函数，被控对象可以为惯性参考单元。G_v(s)为角速度环闭环中被控对象的传递函数，被控对象可以为惯性参考单元。Q(s)为低通滤波器。Hω'_dω_d为第一角速度输入到辅助滤波器5分离外界扰动信号输出的传递函数。Hω'_n为第一角速度输入到辅助滤波器5后，滤除高频噪声后输出的传递函数。通过设置辅助滤波器5，可以降低角速度环闭环中的高频噪声，同时可以提高第二观测器32的可设计带宽，进而可以提高第一观测器31的观测精度。

图6示出了根据本发明实施例提供的辅助滤波器的方框图，图中示出惯性参考单元。

如图6所示，根据本发明的实施例，平台12转动的实际角速度ω_k在经由传感装置15测量后会在其中加入传感器噪声n，得到平台12角速度的测量值，即第一角速度ω_m。第一驱动电压u经由名义模型传递函数G_n(s)处理后，经由后第一角速度ω_m减去，得到角速度扰动值角速度扰动值/>再经过名义模型传递函数的倒数G_n(s)^-1与低通滤波器Q(s)后，得到第一补偿电压u′，反馈到第一驱动电压u上，从而可以使在低通滤波器的截止频率内使得辅助滤波器5中的被控对象表现为名义模型。角速度扰动值/>经过低通滤波器Q(s)与阻尼ξ_Q后，可以滤除高频噪声，从而可以得到总扰动引起的角速度，即第一干扰角速度ω′_d。角速度扰动值/>经由高通滤波器1-Q(s)后，可以得到高频扰动值，再被第一角速度ω_m减去后，可以得到滤除高频噪声后的第二目标角速度ω′。

图7示出了根据本发明实施例提供的扰动抑制系统的实验对比图。

根据本发明的实施例，以下为本发明实施例的实验验证方案。

首先，可以在惯性参考单元的基座和平台之间设置音圈电机，利用音圈电机控制平台转动。将惯性参考单元安装在振动台上，以模拟外界干扰信号。采用MEMS陀螺仪和MHD角速度传感器协同测量平台相对于惯性空间的角速度，即第一角速度。采用激光干涉仪测量平台的角位移，即第一转角。并采用Dspace-micro labox控制器采集第一转角和第一角速度，采样频率设置为1250Hz。

然后，利用振动台分别输入1Hz、10Hz和50Hz的正弦干扰信号，通过对扰动抑制系统进行辨识，确定扰动抑制系统具有大约35Hz的机械谐振，利用现有的双闭环反馈控制A和扩张状态观测器B与本申请的扰动抑制系统C对所输入的扰动进行估计并抑制，得到的三种控制方法在不同干扰频率下的扰动抑制后残余误差的均方根如图7所示。本申请的扰动抑制系统残余误差的均方根较小，因此，本申请的扰动抑制系统具有较佳的抑制效果。

以上的具体实施例，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)

1.一种基于频率自适应观测的扰动抑制系统，其特征在于，包括：

惯性参考单元，包括基座和平台，所述平台通过电机与所述基座连接，所述平台上安装有激光器和传感装置，所述激光器被配置为在所述电机驱动平台发生第一运动时发射激光，以基于所述激光测量所述平台发生第一运动的第一转角，所述传感装置被配置为测量所述平台发生第一运动的第一角速度；

控制单元，被配置为响应于第二运动指令，根据所述第一转角和所述第二运动指令的目标转角，得到所述平台转动至所述目标转角需要的第一目标角速度；

扰动观测单元，包括：

第一观测器，被配置为根据所述第一角速度和所述控制单元在所述平台发生第一运动时输出的第一驱动电压，得到第一观测频率，所述第一观测频率表征总扰动信号的频率，所述总扰动信号包括外界扰动信号和由传感装置引起的内部干扰信号；

第二观测器，被配置为根据所述第一角速度和所述第一驱动电压生成第一运动的第一观测角速度，所述控制单元根据所述第一观测角速度和所述第一目标角速度生成第一角速度差，所述第二观测器根据所述第一角速度和所述第一观测频率生成用于补偿所述总扰动信号的第一补偿角速度，所述控制单元根据所述第一补偿角速度和所述第一角速度差生成用于驱动所述平台转动至所述第一目标角速度的第二驱动电压；

驱动器，被配置为根据所述第二驱动电压驱动所述电机带动所述平台以第一目标角速度发生第二运动，使所述平台转动至所述目标转角。

2.根据权利要求1所述的扰动抑制系统，其特征在于，还包括：

辅助滤波器，连接在所述扰动观测单元和所述惯性参考单元之间，所述辅助滤波器被配置为根据所述第一角速度和所述第一驱动电压得到第二目标角速度和第一干扰角速度；所述第二目标角速度表征为在发生第一运动前，所述控制单元响应于第一运动指令得到的驱动平台转动的角速度，所述第一干扰角速度表征为在所述第一运动过程中由总扰动信号导致的平台转动的角速度；

其中，所述第一观测器基于所述第一干扰角速度得到所述第一观测频率，所述第二观测器基于所述第一观测频率和所述第二目标角速度生成所述第一补偿角速度，所述第二观测器基于所述第二目标角速度、所述第一干扰角速度和所述第一驱动电压生成所述第一观测角速度。

3.根据权利要求2所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述控制单元包括：

位置环控制器，被配置为在根据所述第一转角和目标转角得到转角差值后，根据所述转角差值得到用以驱动所述平台转动所述转角差值的转角驱动电压；

微分跟踪器，根据所述转角驱动电压得到所述第一目标角速度；

速度环控制器，被配置为在根据所述第一补偿角速度和所述第一角速度差生成用于调节所述第一角速度至所述第一目标角速度的调节角速度后，基于所述调节角速度生成所述第二驱动电压，以使所述驱动器基于所述第二驱动电压驱动所述平台转动至所述目标转角。

4.根据权利要求2所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述辅助滤波器根据所述第一驱动电压生成第一补偿电压，所述驱动器根据所述第二驱动电压和所述第一补偿电压驱动所述惯性参考单元发生所述第二运动，使所述平台转动至所述目标转角。

5.根据权利要求3所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述第一观测器包括：

跟踪微分器，被配置为基于所述第一干扰角速度得到所述第一观测频率。

6.根据权利要求5所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述第一观测器还包括：

重置时钟，被配置为基于所述跟踪微分器在所述平台发生第一运动时输出的初始观测频率，得到比较信号；

积分观测器，被配置为基于所述比较信号得到比较频率，在所述第一观测频率与所述比较频率的差值超过预设值的情况下，将所述初始观测频率的频率值更新为所述第一观测频率的频率值。

7.根据权利要求3所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述第二观测器被配置为基于所述第二目标角速度、所述第一驱动电压和所述第二观测器中储存的初始转角、初始观测角速度和初始补偿角速度得到更新后的所述第一补偿角速度。

8.根据权利要求7所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述第二观测器被配置为基于所述第二目标角速度和初始观测角速度，利用谐振观测传递函数和正弦扰动传递函数得到更新后的所述第一干扰角速度。

9.根据权利要求3所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述辅助滤波器被配置为基于所述第一角速度和所述第一驱动电压利用名义模型传递函数得到角速度扰动值，基于所述角速度扰动值利用低通滤波器得到第一补偿电压。

10.根据权利要求9所述的扰动抑制系统，其特征在于，所述辅助滤波器被配置为基于所述角速度扰动值，利用所述低通滤波器得到第一干扰角速度，基于所述角速度扰动值，利用高通滤波器得到第二目标角速度。