一种改进的基于多闭环的快反镜扰动观测补偿控制方法与流程

本发明属于光电惯性稳定控制领域，具体的涉及一种改进的基于多闭环的快反镜扰动观测补偿控制方法，主要提高系统低频扰动隔离能力，从而进一步提升运动平台光电跟踪设备跟踪性能。

背景技术：

在光电跟踪设备中，由于快反镜具有惯性小、带宽高的特性，已广泛用于实现精跟踪控制回路。运动载体上的快反镜平台不仅需要完成光束定向，还需要完成对载体扰动的抑制，以此来保证设备整体跟踪性能。例如在星地间光通信设备中，卫星的高带宽抖动会降低通信链路的稳定性。利用快反镜平台来实现光路的高带宽稳定和对准是提高跟踪性能的有效手段。在控制方法上，传统的提高快反镜平台扰动抑制能力的方法主要依靠陀螺和CCD实现双回路稳定，陀螺用于敏感惯性空间的速度，有力地提高了快反镜的扰动抑制能力。文献《Inertial sensor-based multi-loop control of fast steering mirror for line of sight stabilization》(Optical Engineering，Vol(55)，2016)利用加速度计、陀螺和CCD实现三环稳定，进一步提高快反镜稳定能力。但是，由于CCD的低采样率、延时特性和传感器数据噪声，当系统在经受不确定的外部扰动时，其扰动抑制能力依旧存在不足。针对此问题，文献《MEMS Inertial Sensors-Based Multi-Loop Control Enhanced by Disturbance Observation and Compensation for Fast Steering Mirror System》(sensors，Vol(16)，2016)在之前三环稳定基础上引入扰动观测器控制方法，对外部扰动力矩进行观测和补偿，从而大幅提高了系统扰动抑制能力。但是，从理论和实验结果来看，该方法只能提高系统针对中频扰动的抑制能力，而对低频扰动抑制能力的提升基本无效。原因是为了避免补偿控制器中的双重积分饱和而导致系统的不稳定，该方法不得不舍弃系统在低频的补偿能力。系统的中低频扰动抑制能力决定系统的整体性能，因此，急需进一步考虑能同时提升快反镜稳定平台的中频和低频扰动抑制能力的控制方法。

技术实现要素：

针对当前快反镜稳定平台的扰动抑制能力不足，无法满足更高精度的稳定控制需求，本发明提出了一种改进的基于多闭环的快反镜扰动观测补偿控制方法，本方法在加速度、速度和位置三环闭环后，在加速度环内利用改进的扰动观测补偿器对外部载体扰动力矩进行观测、估计和补偿，从而抵消部分外部扰动力矩，进一步提高稳定平台稳定能力。改进的扰动观测器主要是使前馈补偿节点前移到加速度给定，从而使补偿对象变成加速度环开环对象特性，利用加速度控制器对消被控对象中的二次微分环节来简化补偿对象模型；补偿对象模型的简化使补偿控制器不再受二次积分饱和的限制，从而可以对提高系统的低频扰动抑制能力。

为实现本发明的目的，本发明提供一种改进的基于多闭环的快反镜扰动观测补偿控制方法，其方法步骤如下：

步骤(1)：在快反镜稳定平台的两偏转轴上分别安装陀螺和加速度计，用以分别敏感平台两轴在惯性空间运动的角速度和角加速度，这里的速度和加速度的采样频率一般较高，用以实现高带宽内环；

步骤(2)：由于快反镜采用线性度很好的音圈电机为驱动机构，整体为线性系统，通过频率响应测试仪可对平台的加速度频率对象特性进行测试，输入为控制器输出值，输出为加速度计采样值，高采样率可获得较高精度的加速度对象模型G_a(s)，用于实现高带宽加速度环；

步骤(3)：在获取到被控对象模型G_a(s)基础上，设计加速度控制器C_a(s)实现加速度闭环，然后设计速度控制器C_v(s)实现速度反馈闭环，最后利用图像传感器CCD实现位置控制器C_p(s)和位置闭环，这样就实现了传统的三环闭环控制；

步骤(4)：在加速环内构建改进的扰动观测器，添加理论对象是快反镜稳定平台的测量对象模型，与真实对象模型G_a(s)的近似，把加速度控制器的输出同时分别输入给G_a(s)和这样利用两者的输出量做差，可观测出扰动角加速度量，也就是扰动力矩；

步骤(5)：设计前馈补偿控制器C_f(s)，把观测出的扰动角加速度量转换为加速度控制给定量来进行前馈补偿，从而实现对扰动加速度的补偿，也就是扰动力矩的抵消。

其中，步骤(3)中考虑到加速度对象模型中的二次微分环节，为了避免加速度控制器中出现的二次积分而导致系统饱和，加速度控制器C_a(s)设计为滞后控制器，模型参考如下：

其中，K_a为控制器增益，T_e为加速度对象模型中滞后因子，T₁为滞后补偿因子，加速度闭环后，改善了被控对象特性，从而速度控制器C_v(s)和位置控制器C_p(s)可设计为PI控制器。

其中，步骤(5)中前馈补偿控制器C_f(s)设计为如下带低通滤波器的控制器模型：

其中，K_f为前馈控制器增益，T_f为低通滤波器滤波带宽因子，为快反镜自然频率，ξ为快反镜本身阻尼因子，当前馈补偿器设计为如上模型后，整个扰动观测补偿器呈现一个微分特性，把扰动加速度进行微分为加加速度，从而在本质上实现基于扰动抑制的加加速度前馈控制，有力的提高扰动抑制能力。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)相对当前最新的三闭环与传统扰动观测器结合的控制方法，本发明对扰动观测器进行改进，使其能在保证中频扰动抑制能力的前提下，进一步提升系统低频的扰动抑制能力，本质上的加加速度前馈可极大地发挥前馈控制效果，从而有力地提升了系统扰动抑制能力，减少扰动抑制残差；

(2)本发明是从控制算法上对系统进行优化，无需再另加传感器，保证了系统原有特性，并节约了成本；

(3)本发明思路清晰，结构简单，在工程上更易于实现，特别是在一些扰动根本无法测量的情况下，可很好地发挥其优势。

附图说明

图1是本发明的一种改进的基于多闭环的快反镜扰动观测补偿控制方法的控制框图。

图2是本发明的相对于传统三闭环控制方法和其结合传统扰动观测器方法的整体抑制能力对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如附图1所示是一种改进的基于多闭环的快反镜扰动观测补偿控制方法的控制框图，其中包括改进的扰动观测补偿器内回路、加速度回路、速度回路、CCD位置回路；利用改进的扰动观测补偿器控制方法和传统的三闭环控制方法相结合，进一步以对加速度的观测估计前馈，从而提高系统的扰动抑制能力。前馈节点为加速度控制器输入，所以前馈控制器整体表现为微分特性，因此其本质上为加加速度前馈。采用所述装置实现前馈控制方法的具体实施步骤如下：

步骤(1)：在快反镜稳定平台的两偏转轴上分别安装陀螺和加速度计，用以分别敏感平台两轴在惯性空间运动的角速度和角加速度。这里的速度和加速度的采样频率一般较高，用以实现高带宽内环；

步骤(2)：由于快反镜采用线性度很好的音圈电机为驱动机构，整体为线性系统，通过频率响应测试仪可对平台的加速度频率对象特性进行测试，输入为控制器输出值，输出为加速度计采样值。高采样率可获得较高精度的加速度对象模型G_a(s)，用于实现高带宽加速度环；

步骤(3)：在获取到对象模型G_a(s)基础上，设计加速度控制器C_a(s)实现加速度闭环，然后设计速度控制器C_v(s)实现速度反馈闭环，最后利用图像传感器CCD实现位置控制器C_p(s)和位置闭环，这样就实现了传统的三环闭环控制；在各控制器设计过程中，考虑到加速度对象模型中的二次微分环节，为了避免加速度控制器中出现的二次积分而导致系统饱和，加速度控制器C_a(s)设计为滞后控制器，模型参考如下：

其中，K_a为控制器增益，T_e为加速度对象模型中滞后因子，T₁为滞后补偿因子。加速度闭环后，改善了被控对象特性，从而速度控制器C_v(s)和位置控制器C_p(s)可设计为PI控制器；

步骤(4)：在加速环内构建改进的扰动观测器，添加理论对象是快反镜稳定平台的测量对象模型，与真实对象模型G_a(s)的近似。把加速度控制器的输出同时分别输入给G_a(s)和这样利用两者的输出量做差，可观测出扰动角加速度量，也就是扰动力矩；

步骤(5)：设计前馈补偿控制器C_f(s)，把观测出的扰动角加速度量转换为加速度控制给定量来进行前馈补偿，从而实现对扰动加速度，也就是扰动力矩的抵消。前馈补偿控制器C_f(s)设计为如下带低通滤波器的控制器模型：

其中，K_f为前馈控制器增益，T_f为低通滤波器滤波带宽因子，为快反镜自然频率，ξ为快反镜本身阻尼因子。当前馈补偿器设计为如上模型后，整个扰动观测补偿器呈现一个微分特性，把扰动加速度进行微分为加加速度，从而在本质上实现基于扰动抑制的加加速度前馈控制，有力的提高扰动抑制能力。

下面以一快反镜稳定平台实验系统为例对本发明的设计过程和效果进行详细说明：

(1)通过频率响应测试仪测出系统的加速度传递函数模型为，在设计过程中可认为G_a(s)和近似相等：

(2)通过加速度对象模型可以此设计出加速度、速度、位置控制器，其中加速度环控制器设计为：

(3)当实现经典三环闭环控制后，设计扰动观测补偿器为：

(4)在相同扰动情况下，通过对比传统三闭环、三闭环+传统扰动观测器和三闭环+改进扰动观测器控制方法的扰动抑制残差，可以明确看出改进的扰动观测器可以有力地提高系统扰动抑制能力，使残差大幅下降。如图2是本发明的整体抑制能力对比图。与传统三闭环、三闭环+传统扰动观测器和三闭环+改进扰动观测器控制方法相比，可以明确看出改进的扰动观测器控制方法在低频1～8Hz比传统扰动观测器方法性能提升最高将近10dB，有效地提高系统扰动抑制比。而在中高频与传统方法保持一致。