本發(fā)明屬于光電慣性穩(wěn)定控制領(lǐng)域，具體的涉及一種改進(jìn)的基于多閉環(huán)的快反鏡擾動觀測補(bǔ)償控制方法，主要提高系統(tǒng)低頻擾動隔離能力，從而進(jìn)一步提升運(yùn)動平臺光電跟蹤設(shè)備跟蹤性能。

背景技術(shù)：

在光電跟蹤設(shè)備中，由于快反鏡具有慣性小、帶寬高的特性，已廣泛用于實(shí)現(xiàn)精跟蹤控制回路。運(yùn)動載體上的快反鏡平臺不僅需要完成光束定向，還需要完成對載體擾動的抑制，以此來保證設(shè)備整體跟蹤性能。例如在星地間光通信設(shè)備中，衛(wèi)星的高帶寬抖動會降低通信鏈路的穩(wěn)定性。利用快反鏡平臺來實(shí)現(xiàn)光路的高帶寬穩(wěn)定和對準(zhǔn)是提高跟蹤性能的有效手段。在控制方法上，傳統(tǒng)的提高快反鏡平臺擾動抑制能力的方法主要依靠陀螺和CCD實(shí)現(xiàn)雙回路穩(wěn)定，陀螺用于敏感慣性空間的速度，有力地提高了快反鏡的擾動抑制能力。文獻(xiàn)《Inertial sensor-based multi-loop control of fast steering mirror for line of sight stabilization》(Optical Engineering，Vol(55)，2016)利用加速度計(jì)、陀螺和CCD實(shí)現(xiàn)三環(huán)穩(wěn)定，進(jìn)一步提高快反鏡穩(wěn)定能力。但是，由于CCD的低采樣率、延時特性和傳感器數(shù)據(jù)噪聲，當(dāng)系統(tǒng)在經(jīng)受不確定的外部擾動時，其擾動抑制能力依舊存在不足。針對此問題，文獻(xiàn)《MEMS Inertial Sensors-Based Multi-Loop Control Enhanced by Disturbance Observation and Compensation for Fast Steering Mirror System》(sensors，Vol(16)，2016)在之前三環(huán)穩(wěn)定基礎(chǔ)上引入擾動觀測器控制方法，對外部擾動力矩進(jìn)行觀測和補(bǔ)償，從而大幅提高了系統(tǒng)擾動抑制能力。但是，從理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該方法只能提高系統(tǒng)針對中頻擾動的抑制能力，而對低頻擾動抑制能力的提升基本無效。原因是為了避免補(bǔ)償控制器中的雙重積分飽和而導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，該方法不得不舍棄系統(tǒng)在低頻的補(bǔ)償能力。系統(tǒng)的中低頻擾動抑制能力決定系統(tǒng)的整體性能，因此，急需進(jìn)一步考慮能同時提升快反鏡穩(wěn)定平臺的中頻和低頻擾動抑制能力的控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對當(dāng)前快反鏡穩(wěn)定平臺的擾動抑制能力不足，無法滿足更高精度的穩(wěn)定控制需求，本發(fā)明提出了一種改進(jìn)的基于多閉環(huán)的快反鏡擾動觀測補(bǔ)償控制方法，本方法在加速度、速度和位置三環(huán)閉環(huán)后，在加速度環(huán)內(nèi)利用改進(jìn)的擾動觀測補(bǔ)償器對外部載體擾動力矩進(jìn)行觀測、估計(jì)和補(bǔ)償，從而抵消部分外部擾動力矩，進(jìn)一步提高穩(wěn)定平臺穩(wěn)定能力。改進(jìn)的擾動觀測器主要是使前饋補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)前移到加速度給定，從而使補(bǔ)償對象變成加速度環(huán)開環(huán)對象特性，利用加速度控制器對消被控對象中的二次微分環(huán)節(jié)來簡化補(bǔ)償對象模型；補(bǔ)償對象模型的簡化使補(bǔ)償控制器不再受二次積分飽和的限制，從而可以對提高系統(tǒng)的低頻擾動抑制能力。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的基于多閉環(huán)的快反鏡擾動觀測補(bǔ)償控制方法，其方法步驟如下：

步驟(1)：在快反鏡穩(wěn)定平臺的兩偏轉(zhuǎn)軸上分別安裝陀螺和加速度計(jì)，用以分別敏感平臺兩軸在慣性空間運(yùn)動的角速度和角加速度，這里的速度和加速度的采樣頻率一般較高，用以實(shí)現(xiàn)高帶寬內(nèi)環(huán)；

步驟(2)：由于快反鏡采用線性度很好的音圈電機(jī)為驅(qū)動機(jī)構(gòu)，整體為線性系統(tǒng)，通過頻率響應(yīng)測試儀可對平臺的加速度頻率對象特性進(jìn)行測試，輸入為控制器輸出值，輸出為加速度計(jì)采樣值，高采樣率可獲得較高精度的加速度對象模型G_a(s)，用于實(shí)現(xiàn)高帶寬加速度環(huán)；

步驟(3)：在獲取到被控對象模型G_a(s)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加速度控制器C_a(s)實(shí)現(xiàn)加速度閉環(huán)，然后設(shè)計(jì)速度控制器C_v(s)實(shí)現(xiàn)速度反饋閉環(huán)，最后利用圖像傳感器CCD實(shí)現(xiàn)位置控制器C_p(s)和位置閉環(huán)，這樣就實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的三環(huán)閉環(huán)控制；

步驟(4)：在加速環(huán)內(nèi)構(gòu)建改進(jìn)的擾動觀測器，添加理論對象是快反鏡穩(wěn)定平臺的測量對象模型，與真實(shí)對象模型G_a(s)的近似，把加速度控制器的輸出同時分別輸入給G_a(s)和這樣利用兩者的輸出量做差，可觀測出擾動角加速度量，也就是擾動力矩；

步驟(5)：設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償控制器C_f(s)，把觀測出的擾動角加速度量轉(zhuǎn)換為加速度控制給定量來進(jìn)行前饋補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對擾動加速度的補(bǔ)償，也就是擾動力矩的抵消。

其中，步驟(3)中考慮到加速度對象模型中的二次微分環(huán)節(jié)，為了避免加速度控制器中出現(xiàn)的二次積分而導(dǎo)致系統(tǒng)飽和，加速度控制器C_a(s)設(shè)計(jì)為滯后控制器，模型參考如下：

其中，K_a為控制器增益，T_e為加速度對象模型中滯后因子，T₁為滯后補(bǔ)償因子，加速度閉環(huán)后，改善了被控對象特性，從而速度控制器C_v(s)和位置控制器C_p(s)可設(shè)計(jì)為PI控制器。

其中，步驟(5)中前饋補(bǔ)償控制器C_f(s)設(shè)計(jì)為如下帶低通濾波器的控制器模型：

其中，K_f為前饋控制器增益，T_f為低通濾波器濾波帶寬因子，為快反鏡自然頻率，ξ為快反鏡本身阻尼因子，當(dāng)前饋補(bǔ)償器設(shè)計(jì)為如上模型后，整個擾動觀測補(bǔ)償器呈現(xiàn)一個微分特性，把擾動加速度進(jìn)行微分為加加速度，從而在本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)基于擾動抑制的加加速度前饋控制，有力的提高擾動抑制能力。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)相對當(dāng)前最新的三閉環(huán)與傳統(tǒng)擾動觀測器結(jié)合的控制方法，本發(fā)明對擾動觀測器進(jìn)行改進(jìn)，使其能在保證中頻擾動抑制能力的前提下，進(jìn)一步提升系統(tǒng)低頻的擾動抑制能力，本質(zhì)上的加加速度前饋可極大地發(fā)揮前饋控制效果，從而有力地提升了系統(tǒng)擾動抑制能力，減少擾動抑制殘差；

(2)本發(fā)明是從控制算法上對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，無需再另加傳感器，保證了系統(tǒng)原有特性，并節(jié)約了成本；

(3)本發(fā)明思路清晰，結(jié)構(gòu)簡單，在工程上更易于實(shí)現(xiàn)，特別是在一些擾動根本無法測量的情況下，可很好地發(fā)揮其優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種改進(jìn)的基于多閉環(huán)的快反鏡擾動觀測補(bǔ)償控制方法的控制框圖。

圖2是本發(fā)明的相對于傳統(tǒng)三閉環(huán)控制方法和其結(jié)合傳統(tǒng)擾動觀測器方法的整體抑制能力對比圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)說明。

如附圖1所示是一種改進(jìn)的基于多閉環(huán)的快反鏡擾動觀測補(bǔ)償控制方法的控制框圖，其中包括改進(jìn)的擾動觀測補(bǔ)償器內(nèi)回路、加速度回路、速度回路、CCD位置回路；利用改進(jìn)的擾動觀測補(bǔ)償器控制方法和傳統(tǒng)的三閉環(huán)控制方法相結(jié)合，進(jìn)一步以對加速度的觀測估計(jì)前饋，從而提高系統(tǒng)的擾動抑制能力。前饋節(jié)點(diǎn)為加速度控制器輸入，所以前饋控制器整體表現(xiàn)為微分特性，因此其本質(zhì)上為加加速度前饋。采用所述裝置實(shí)現(xiàn)前饋控制方法的具體實(shí)施步驟如下：

步驟(1)：在快反鏡穩(wěn)定平臺的兩偏轉(zhuǎn)軸上分別安裝陀螺和加速度計(jì)，用以分別敏感平臺兩軸在慣性空間運(yùn)動的角速度和角加速度。這里的速度和加速度的采樣頻率一般較高，用以實(shí)現(xiàn)高帶寬內(nèi)環(huán)；

步驟(2)：由于快反鏡采用線性度很好的音圈電機(jī)為驅(qū)動機(jī)構(gòu)，整體為線性系統(tǒng)，通過頻率響應(yīng)測試儀可對平臺的加速度頻率對象特性進(jìn)行測試，輸入為控制器輸出值，輸出為加速度計(jì)采樣值。高采樣率可獲得較高精度的加速度對象模型G_a(s)，用于實(shí)現(xiàn)高帶寬加速度環(huán)；

步驟(3)：在獲取到對象模型G_a(s)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加速度控制器C_a(s)實(shí)現(xiàn)加速度閉環(huán)，然后設(shè)計(jì)速度控制器C_v(s)實(shí)現(xiàn)速度反饋閉環(huán)，最后利用圖像傳感器CCD實(shí)現(xiàn)位置控制器C_p(s)和位置閉環(huán)，這樣就實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的三環(huán)閉環(huán)控制；在各控制器設(shè)計(jì)過程中，考慮到加速度對象模型中的二次微分環(huán)節(jié)，為了避免加速度控制器中出現(xiàn)的二次積分而導(dǎo)致系統(tǒng)飽和，加速度控制器C_a(s)設(shè)計(jì)為滯后控制器，模型參考如下：

其中，K_a為控制器增益，T_e為加速度對象模型中滯后因子，T₁為滯后補(bǔ)償因子。加速度閉環(huán)后，改善了被控對象特性，從而速度控制器C_v(s)和位置控制器C_p(s)可設(shè)計(jì)為PI控制器；

步驟(4)：在加速環(huán)內(nèi)構(gòu)建改進(jìn)的擾動觀測器，添加理論對象是快反鏡穩(wěn)定平臺的測量對象模型，與真實(shí)對象模型G_a(s)的近似。把加速度控制器的輸出同時分別輸入給G_a(s)和這樣利用兩者的輸出量做差，可觀測出擾動角加速度量，也就是擾動力矩；

步驟(5)：設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償控制器C_f(s)，把觀測出的擾動角加速度量轉(zhuǎn)換為加速度控制給定量來進(jìn)行前饋補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對擾動加速度，也就是擾動力矩的抵消。前饋補(bǔ)償控制器C_f(s)設(shè)計(jì)為如下帶低通濾波器的控制器模型：

其中，K_f為前饋控制器增益，T_f為低通濾波器濾波帶寬因子，為快反鏡自然頻率，ξ為快反鏡本身阻尼因子。當(dāng)前饋補(bǔ)償器設(shè)計(jì)為如上模型后，整個擾動觀測補(bǔ)償器呈現(xiàn)一個微分特性，把擾動加速度進(jìn)行微分為加加速度，從而在本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)基于擾動抑制的加加速度前饋控制，有力的提高擾動抑制能力。

下面以一快反鏡穩(wěn)定平臺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例對本發(fā)明的設(shè)計(jì)過程和效果進(jìn)行詳細(xì)說明：

(1)通過頻率響應(yīng)測試儀測出系統(tǒng)的加速度傳遞函數(shù)模型為，在設(shè)計(jì)過程中可認(rèn)為G_a(s)和近似相等：

(2)通過加速度對象模型可以此設(shè)計(jì)出加速度、速度、位置控制器，其中加速度環(huán)控制器設(shè)計(jì)為：

(3)當(dāng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)典三環(huán)閉環(huán)控制后，設(shè)計(jì)擾動觀測補(bǔ)償器為：

(4)在相同擾動情況下，通過對比傳統(tǒng)三閉環(huán)、三閉環(huán)+傳統(tǒng)擾動觀測器和三閉環(huán)+改進(jìn)擾動觀測器控制方法的擾動抑制殘差，可以明確看出改進(jìn)的擾動觀測器可以有力地提高系統(tǒng)擾動抑制能力，使殘差大幅下降。如圖2是本發(fā)明的整體抑制能力對比圖。與傳統(tǒng)三閉環(huán)、三閉環(huán)+傳統(tǒng)擾動觀測器和三閉環(huán)+改進(jìn)擾動觀測器控制方法相比，可以明確看出改進(jìn)的擾動觀測器控制方法在低頻1～8Hz比傳統(tǒng)擾動觀測器方法性能提升最高將近10dB，有效地提高系統(tǒng)擾動抑制比。而在中高頻與傳統(tǒng)方法保持一致。