一种惯性稳定平台不平衡扰动的抑制方法
【专利摘要】一种惯性稳定平台不平衡扰动的抑制方法，包括前馈控制器和扰动观测器。其中，前馈控制器由比例环节组成，将平台的不平衡扰动转变为补偿电流并前馈到平台电流回路中，驱动电机产生与不平衡扰动大小相等、方向相反的控制力矩；扰动观测器包括低通滤波器和平台的标称模型，低通滤波器可以在抑制低频的不平衡扰动的同时消除高频噪声的影响。本发明利用已经建立的不平衡扰动模型，使用前馈+扰动观测器的综合控制方法实现对不平衡扰动的抑制，该控制方法综合利用了前馈和扰动观测器两种方法的优点，降低了不平衡扰动对平台性能的影响，显著提高了惯性稳定平台的稳定精度。本发明简便易行，适用于惯性稳定平台不平衡扰动的抑制。
【专利说明】一种惯性稳定平台不平衡扰动的抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种惯性稳定平台不平衡扰动的抑制方法，用于抑制惯性稳定平台系 统中存在的不平衡扰动，不平衡扰动建模误差以及系统中存在的其它扰动，适用于惯性稳 定平台对不平衡扰动的抑制。
【背景技术】
[0002] 高分辨率对地观测系统广泛应用于军事侦察、基础测绘、灾害监测等领域。要实 现理想的对地观测，要求摄像载荷能够保持稳定，但是在实际情况下，由于大气紊流和自身 扰动等因素的影响，摄像载荷难以保持理想的稳定状态，使得视轴失稳，导致成像质量的下 降，分辨率降低。为提高成像质量，可将惯性稳定平台安装于飞行器和遥感载荷之间，利用 惯性稳定平台有效隔离载体的扰动及非理想姿态运动。同时平台可为遥感载荷提供稳定的 水平姿态基准，显著提高遥感载荷的成像质量，并且可以保证遥感载荷在成像时的航向稳 定，提高航空遥感系统的作用效率，而这就对惯性稳定平台的精度指标提出较高要求。
[0003] 影响惯性稳定平台稳定精度的因素有很多，包括不平衡扰动、基座角运动、框架耦 合、摩擦等。其中，不平衡扰动是惯性稳定平台的主要扰动之一，会严重影响惯性稳定平台 的稳定精度，常规的PID控制器往往参数整定不良，性能欠佳，难以满足惯性稳定平台高精 度的控制要求；而且反馈控制是基于误差的控制，只能在扰动进入并影响系统之后才起作 用，在补偿方面存在一定的延迟，对扰动的抑制作用有限。因此研究不平衡扰动的抑制方 法，对于提高惯性稳定平台的整体性能具有重大的意义。采用前馈+干扰观测器的控制方 法，前馈控制可以在不平衡扰动对系统产生影响之前，对其进行补偿，针对前馈控制难以补 偿的不平衡扰动建模误差以及平台系统中存在的其它扰动，采用干扰观测器进行补偿，这 种控制策略综合考虑了前馈控制和扰动观测器的优点，可以大幅降低不平衡扰动对惯性稳 定平台系统性能的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种稳态精度更高、适应能 力更强、性能更好的惯性稳定平台不平衡扰动抑制方法。
[0005] 本发明的技术解决方案是：一种惯性稳定平台不平衡扰动的抑制方法，其特点包 括：
[0006] (1)经典PID控制下，不平衡扰动会严重影响惯性稳定平台的稳定性能，基于已建 立的不平衡扰动模型，设计了一种不平衡扰动的前馈控制方法。前馈控制器将不平衡扰动 前馈到电流环控制回路中，使得力矩电机产生与不平衡扰动大小相等，方向相反的力矩，进 而消除或者降低不平衡扰动对平台系统性能的影响。在前馈控制器的设计中，考虑到电流 环的带宽远远高于速率环，因此在前馈控制器的设计过程中将电流环简化为比例环节，从 而简化前馈控制器的设计，将前馈控制器设置为比例环节^，其中K为电机的转矩系数， N为传动比。
[0007] (2)前馈控制可以有效抑制已建模扰动的影响，但是其难以抑制不平衡扰动建模 过程中存在的建模误差，以及惯性稳定平台系统中存在的其它扰动对惯性稳定平台性能的 影响，而扰动观测器可以观测到惯性稳定平台系统中存在的所有扰动，实现对平台系统中 存在的扰动的全补偿，使得这些扰动作用下平台误差角输出稳态值降低。由于惯性稳定平 台系统中电流环带宽远大于速率环，可以将电流环看作比例环节，因此被控对象可以表示 为dy) = ，K为电机力矩系数，N为传动比，J为平台转动惯量。Gtl(S)为真有理分式， Js 平台的标称模型的逆Gr1(为往往难以实现，引入的低通滤波器q(s)要使得泛(ddw成 为真有理分式。因此扰动观测器设计的关键是低通滤波器的设计，而相对阶次是低通滤波 器的主要参数。因为低通滤波器的相对阶次应该大于或者等于被控对象的相对阶次，而平 台被控对象的相对阶次为一阶，所以低通滤波器q( s)的相对阶次也应至少为一阶；又因为 低通滤波器的相对阶次越大，系统算法计算量越大，鲁棒性也越差，所以低通滤波器的相对 阶次不能太大。综合考虑以上两点，可以设计低通滤波器的相对阶次等于平台被控对象的 阶次，即= 通过标称模型估计出惯性稳定平台受到的不平衡扰动，同时利用低 TS + 1 通滤波器抑制高频噪声，将观测到的不平衡扰动反馈到平台系统中，实现对不平衡扰动的 抑制。
[0008] (3)扰动观测器可以观测到惯性稳定平台系统中存在的所有扰动，但是其观测到 的平台系统中存在的扰动与实际扰动之间存在一定的延迟，使得平台误差角输出初始段的 幅值较大；前馈控制可以实现对已建模扰动的补偿，但是其难以抑制平台不平衡扰动建模 误差以及平台系统中存在的其它扰动，使得平台误差角输出稳态值较大。综合考虑前馈控 制和干扰观测器补偿的优缺点，设计前馈+扰扰观测器的综合控制方法实现对不平衡扰动 的抑制。其中，前馈控制器通过比例环节将不平衡扰动转变为补偿电流，并前馈到平台的电 流环中，驱动电机产生与不平衡扰动大小相等，方向相反的驱动力矩；扰动观测器通过平台 的标称模型可以估计出惯性稳定平台受到的不平衡扰动，以及平台系统中存在的不平衡扰 动建模误差和其它扰动，同时利用低通滤波器抑制高频噪声，将观测到的不平衡扰动反馈 到平台系统中，实现对不平衡扰动的抑制。
[0009] 本发明的原理：通常情况下，惯性稳定平台采用经典的PID控制方法，但是由于 PID控制器参数整定不良，适应能力弱等缺点，使得其对不平衡扰动的抑制效果有限。采用 前馈控制器可以有效抑制已建模的不平衡扰动的影响，在不平衡扰动影响系统输出之前， 对其进行补偿。
[0010] 但是前馈控制只能针对可量测的扰动进行补偿，对于不平衡扰动建模误差以及平 台系统受到的其它扰动，需要采用扰动观测器对其进行全补偿。扰动观测器的基本原理是 将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与标称模型输出的差异等效到控制输入 端，在控制端引入等效的补偿，实现对干扰的完全抑制。但是扰动观测器观测到的惯性稳 定平台系统中存在的扰动与实际扰动之间存在一定的延迟，对于周期性扰动表现的尤为明 显，同时受限于滤波器的带宽，干扰观测器对零速时的扰动的补偿作用有限。
[0011] 综合考虑前馈控制和扰动观测器补偿的优缺点，采用前馈+扰动观测器的综合控 制方法，可以提1?系统对不平衡扰动的抑制能力，提1?系统的稳定精度。
[0012] 本发明与现有技术相比的优点在于：前馈+扰动观测器的综合控制策略综合考虑 了前馈控制和扰动观测器的优点，弥补了前馈控制只能抑制已建模扰动的缺点，同时也弥 补了扰动观测器观测到的惯性稳定平台系统中存在的扰动与实际扰动存在一定延迟的缺 点。相比于经典的PID控制，前馈+扰动观测器可以大幅提高惯性稳定平台系统对不平衡 扰动的抑制能力，提高平台系统的稳定精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为经典PID控制下，惯性稳定平台角度输出；
[0014] 图2为前馈控制结构图；
[0015] 图3为扰动观测器原理结构图；
[0016] 图4为前馈+扰动观测器控制下的惯性稳定平台系统；
[0017] 图5为前馈控制下惯性稳定平台角度输出图；
[0018] 图6为扰动观测器控制下惯性稳定平台角度输出图；
[0019] 图7为前馈+扰动观测器控制下惯性稳定平台角度输出图。
【具体实施方式】
[0020] 不平衡扰动作用下，基于PID控制的惯性稳定平台角度输出如图1所示，在0?15 秒范围内，角度输出会产生比较大的误差，已经大大超出了平台的稳定精度，这是因为反馈 控制是在误差出现之后才对其进行补偿，有一定的时间延迟。而且在PID控制下，平台角度 输出稳态值也较大，难以满足系统高精度的要求。
[0021] 前馈控制结构图如图2所示，前馈控制可以在扰动对系统产生影响之前，对其进 行补偿，因此可以有效地抑制可量测扰动对系统的影响。扰动N(S)作用下系统的输出可以 表示为：
[0022] (? = -~ --:--1 A(s) W \ + 0](.s)C?2(s)
[0023] 式中，Gf(S)为前馈控制器，G1(S)为经典PID控制器，G 2(S)为被控对象。从上式 中可以看出，当前馈控制器&(8) =-1/^(8)，则可以使得在扰动作用下，平台的输出C(S) =0,这样可以实现扰动的全补偿。在惯性稳定平台系统中，电流环的控制频率远大于速率 环，在进行前馈控制器设计时可以将电流环看作比例环节，所以平台系统中对应的经典PID 控制器可以表示为G 1 (s) = K ? N，式中K为电机力矩系数，N为传动比，这样，前馈控制器 GF(s) = -1/K ? N。
[0024] 扰动观测器原理结构图如图3所示，图中，Gtl(S)为被控对象的传递函数，d为干 扰，n为测量噪声，G n(S)为标称模型，》为观测到的干扰（即对干扰d的估计），c为控制系 统控制器的输出，Q(s)为低通滤波器。系统的输出y(s)可以表不为：
[0025] y (s) = Gcy (s) c (s) +Gdy (s) d (s) +Gny (s) n (s)
[0026] 其中：
【权利要求】
1. 一种惯性稳定平台不平衡扰动的抑制方法，其特征在于： (1) 针对经典PID控制下，不平衡扰动会严重影响惯性稳定平台的稳定精度的问题，设 计一种基于前馈控制的不平衡扰动抑制方法，从而大幅减小不平衡扰动引起的平台误差角 输出初始段的幅值； (2) 针对前馈补偿难以抑制不平衡扰动建模误差，以及惯性稳定平台受到的其它扰动 的问题，设计扰动观测器对平台系统受到的不平衡扰动进行观测，并将观测到的不平衡扰 动反馈回平台系统中，从而降低不平衡扰动引起的平台误差角输出的稳态值； (3) 针对扰动观测器观测到的平台系统中存在的扰动与实际扰动之间存在一定的延 迟，使得平台误差角输出初始段幅值较大的问题，设计前馈+扰动观测器的综合控制方法， 可以综合利用前馈补偿和扰动观测器补偿的优点，降低不平衡扰动引起的平台误差角输出 值。
2. 根据权利要求1所述的惯性稳定平台不平衡扰动的抑制方法，其特征在于：所述的 步骤（1)中前馈控制方法为：因为惯性稳定平台电流环的带宽远远高于速率环，所以将平 台的电流环简化为比例环节，其中K为电机的转矩系数，N为传动比,从而设计简化的 前馈控制器。通过前馈控制器将不平衡扰动转变为补偿电流，并前馈到平台的电流环中，驱 动电机产生与不平衡扰动大小相等，方向相反的驱动力矩。
3. 根据权利要求1所述的惯性稳定平台不平衡扰动的抑制方法，其特征在于：所述的 步骤（2)中扰动观测器由平台的标称模型和低通滤波器组成，其中，在标称模型的设计中， 由于惯性稳定平台系统中电流环带宽远大于速率环，可以将电流环看作比例环节，因此被 控对象可以表示为
K为电机的转矩系数，N为传动比，J为平台转动惯量。 因为Gtl(s)为真有理分式，平台的标称模型的逆Gr1P)往往难以实现，所以引入低通滤波器 Q(s)使得泛(I)CT1Cr)成为真有理分式。在低通滤波器的设计中，相对阶次是主要需要考虑 的参数。因为低通滤波器的相对阶次应该大于或者等于被控对象的相对阶次，而平台被控 对象的相对阶次为一阶，所以低通滤波器Q(s)的相对阶次也应至少为一阶；又因为低通滤 波器的相对阶次越大，系统算法计算量越大，鲁棒性也越差，所以低通滤波器的相对阶次不 能太大。综合考虑以上两点，可以设计低通滤波器的相对阶次等于平台被控对象的阶次，即
。通过标称模型估计出惯性稳定平台受到的不平衡扰动，同时利用低通滤波器 抑制高频噪声，将观测到的不平衡扰动反馈到平台系统中，实现对不平衡扰动的抑制。
4. 根据权利要求1所述的惯性稳定平台不平衡扰动的抑制方法，其特征在于：所述的 步骤（3)中前馈+扰动观测器的综合控制方法包括前馈控制器和扰动观测器，其中，前馈控 制器通过比例环节将不平衡扰动转变为补偿电流，并前馈到平台的电流环中，驱动电机产 生与不平衡扰动大小相等，方向相反的驱动力矩；同时，扰动观测器通过平台的标称模型可 以估计出惯性稳定平台受到的不平衡扰动，以及平台系统中存在的不平衡扰动建模误差和 其它扰动，并且利用低通滤波器抑制高频噪声，将观测到的不平衡扰动反馈到平台系统中， 实现对不平衡扰动的抑制。
【文档编号】G01C21/18GK104374390SQ201410465207
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】李明, 李洁 申请人:北京航空航天大学