本發(fā)明屬于光電慣性穩(wěn)定控制領域，具體的涉及一種改進的基于多閉環(huán)的快反鏡擾動觀測補償控制方法，主要提高系統(tǒng)低頻擾動隔離能力，從而進一步提升運動平臺光電跟蹤設備跟蹤性能。

背景技術：

在光電跟蹤設備中，由于快反鏡具有慣性小、帶寬高的特性，已廣泛用于實現(xiàn)精跟蹤控制回路。運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，以此來保證設備整體跟蹤性能。例如在星地間光通信設備中，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現(xiàn)光路的高帶寬穩(wěn)定和對準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《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、陀螺和CCD實現(xiàn)三環(huán)穩(wěn)定，進一步提高快反鏡穩(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《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)定基礎上引入擾動觀測器控制方法，對外部擾動力矩進行觀測和補償，從而大幅提高了系統(tǒng)擾動抑制能力。但是，從理論和實驗結果來看，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。原因是為了避免補償控制器中的雙重積分飽和而導致系統(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。

技術實現(xiàn)要素：

針對當前快反鏡穩(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)明提出了一種改進的基于多閉環(huán)的快反鏡擾動觀測補償控制方法，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)內利用改進的擾動觀測補償器對外部載體擾動力矩進行觀測、估計和補償，從而抵消部分外部擾動力矩，進一步提高穩(wěn)定平臺穩(wěn)定能力。改進的擾動觀測器主要是使前饋補償節(jié)點前移到加速度給定，從而使補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)來簡化補償對象模型；補償對象模型的簡化使補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。

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

步驟(1)：在快反鏡穩(wěn)定平臺的兩偏轉軸上分別安裝陀螺和加速度計，用以分別敏感平臺兩軸在慣性空間運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，用以實現(xiàn)高帶寬內環(huán)；

步驟(2)：由于快反鏡采用線性度很好的音圈電機為驅動機構，整體為線性系統(tǒng)，通過頻率響應測試儀可對平臺的加速度頻率對象特性進行測試，輸入為控制器輸出值，輸出為加速度計采樣值，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)基礎上，設計加速度控制器C_a(s)實現(xiàn)加速度閉環(huán)，然后設計速度控制器C_v(s)實現(xiàn)速度反饋閉環(huán)，最后利用圖像傳感器CCD實現(xiàn)位置控制器C_p(s)和位置閉環(huán)，這樣就實現(xiàn)了傳統(tǒng)的三環(huán)閉環(huán)控制；

步驟(4)：在加速環(huán)內構建改進的擾動觀測器，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)：設計前饋補償控制器C_f(s)，把觀測出的擾動角加速度量轉換為加速度控制給定量來進行前饋補償，從而實現(xiàn)對擾動加速度的補償，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)的二次積分而導致系統(tǒng)飽和，加速度控制器C_a(s)設計為滯后控制器，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)可設計為PI控制器。

其中，步驟(5)中前饋補償控制器C_f(s)設計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，當前饋補償器設計為如上模型后，整個擾動觀測補償器呈現(xiàn)一個微分特性，把擾動加速度進行微分為加加速度，從而在本質上實現(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)有技術相比具有如下優(yōu)點：

(1)相對當前最新的三閉環(huán)與傳統(tǒng)擾動觀測器結合的控制方法，本發(fā)明對擾動觀測器進行改進，使其能在保證中頻擾動抑制能力的前提下，進一步提升系統(tǒng)低頻的擾動抑制能力，本質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，結構簡單，在工程上更易于實現(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)明的一種改進的基于多閉環(huán)的快反鏡擾動觀測補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)控制方法和其結合傳統(tǒng)擾動觀測器方法的整體抑制能力對比圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細說明。

如附圖1所示是一種改進的基于多閉環(huán)的快反鏡擾動觀測補償控制方法的控制框圖，其中包括改進的擾動觀測補償器內回路、加速度回路、速度回路、CCD位置回路；利用改進的擾動觀測補償器控制方法和傳統(tǒng)的三閉環(huán)控制方法相結合，進一步以對加速度的觀測估計前饋，從而提高系統(tǒng)的擾動抑制能力。前饋節(jié)點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，因此其本質上為加加速度前饋。采用所述裝置實現(xiàn)前饋控制方法的具體實施步驟如下：

步驟(1)：在快反鏡穩(wěn)定平臺的兩偏轉軸上分別安裝陀螺和加速度計，用以分別敏感平臺兩軸在慣性空間運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，用以實現(xiàn)高帶寬內環(huán)；

步驟(2)：由于快反鏡采用線性度很好的音圈電機為驅動機構，整體為線性系統(tǒng)，通過頻率響應測試儀可對平臺的加速度頻率對象特性進行測試，輸入為控制器輸出值，輸出為加速度計采樣值。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)基礎上，設計加速度控制器C_a(s)實現(xiàn)加速度閉環(huán)，然后設計速度控制器C_v(s)實現(xiàn)速度反饋閉環(huán)，最后利用圖像傳感器CCD實現(xiàn)位置控制器C_p(s)和位置閉環(huán)，這樣就實現(xiàn)了傳統(tǒng)的三環(huán)閉環(huán)控制；在各控制器設計過程中，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)的二次積分而導致系統(tǒng)飽和，加速度控制器C_a(s)設計為滯后控制器，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)可設計為PI控制器；

步驟(4)：在加速環(huán)內構建改進的擾動觀測器，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)：設計前饋補償控制器C_f(s)，把觀測出的擾動角加速度量轉換為加速度控制給定量來進行前饋補償，從而實現(xiàn)對擾動加速度，也就是擾動力矩的抵消。前饋補償控制器C_f(s)設計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。當前饋補償器設計為如上模型后，整個擾動觀測補償器呈現(xiàn)一個微分特性，把擾動加速度進行微分為加加速度，從而在本質上實現(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)定平臺實驗系統(tǒng)為例對本發(fā)明的設計過程和效果進行詳細說明：

(1)通過頻率響應測試儀測出系統(tǒng)的加速度傳遞函數(shù)模型為，在設計過程中可認為G_a(s)和近似相等：

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

(3)當實現(xiàn)經(jīng)典三環(huán)閉環(huán)控制后，設計擾動觀測補償器為：

(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)+改進擾動觀測器控制方法的擾動抑制殘差，可以明確看出改進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)+改進擾動觀測器控制方法相比，可以明確看出改進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。