[發明專利]一種基于擴張狀態觀測器的光電跟蹤系統控制方法

在審

• 申請號: 201910137559.1
• 申請日: 2019-02-25
• 公開（公告）號: CN109870899A
• 公開（公告）日: 2019-06-11
• 發明（設計）人: 聶康;毛耀;喬琦;任維;李志俊
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于擴張狀態觀測器的光電跟蹤系統控制方法，其特征在于：其具體實施步驟如下：

步驟(1)：在光電跟蹤實驗平臺中安裝CCD位置傳感器，用于測量光電跟蹤系統的角位置量；

步驟(2)：通過頻率響應測試儀可對平臺的位置頻率對象特性進行測試，輸入為被控對象輸入值，輸出為CCD傳感器采樣值，從而可獲得被控對象為二階系統；

步驟(3)：被控對象傳遞形式G(s)轉化成狀態方程，并選取狀態變量，包括提取總擾動為擴張的狀態變量；

步驟(4)：通過設計線性擴張狀態觀測器(ESO)，利用系統的輸入輸出觀測出系統原有狀態和被擴張的狀態變量；

步驟(5)：采用經典的PID組合來實施控制器的設計，添加擾動補償回路，結合控制器輸出和擾動估計值的補償來最終決定被控系統控制量，實現系統閉環跟蹤控制。

2.根據權利要求1所述的一種基于擴張狀態觀測器的光電跟蹤系統控制方法，其特征在于：步驟(3)中，二階被控對象為：

選取x₁,x₂為系統狀態變量，x₁＝y，u,y是被控對象的輸入與輸出，w(t)為外擾作用，對象的狀態方程表示為：

其中，f(x₁,x₂,w(t),t)為未知，bu為已知部分，將過程中的外擾作用的表現量f(x₁,x₂,w(t),t)當做一個新的未知的狀態變量x₃，加入原系統中，即在原系統狀態的基礎上擴張出一個新狀態，則原對象可以表示為：

3.根據權利要求1所述的一種基于擴張狀態觀測器的光電跟蹤系統控制方法，其特征在于：步驟(4)中建立線性擴張狀態觀測器，形式如下：

其中，通過適當的選擇參數β_i＞0(i＝1,2,3)，則這個擴張狀態觀測器能較好的估計系統的狀態變量x₁,x₂及被擴張的狀態變量x₃，即：

z₁→x₁,z₂→x₂,z₃→x₃

在b已知或者接近的情況下，且對象中的外擾作用的表現量f(x₁,x₂,w(t),t)是有界的，就能通過擴張狀態觀測器實現對被控對象的位置、速度和未知部分f(x₁,x₂,w(t),t)的觀測，在實際工程控制中，可采用本觀測器實現無需速度測量的控制，并實現對未知不確定性和外加干擾的估計；

上述線性擴張狀態觀測器的特征方程可以得到為：

s³+β₁s²+β₂s+β₃

為了估計好未知不確定性和外加干擾等總和擾動，應該選取參數β₁,β₂,β₃使上述特征方程穩定的比較理想，穩定的比較好且能給出較好過渡過程的特征方程形式為(s+ω)³，即極點都完全重合，于是把參數β₁,β₂,β₃配置成：

β₁＝3ω,β₂＝3ω²,β₃＝ω³

至于觀測器帶寬ω是根據系統帶寬的要求確定或在線整定。

4.根據權利要求1所述的一種基于擴張狀態觀測器的光電跟蹤系統控制方法，其特征在于：步驟(5)中將擴張狀態觀測器線性化，并將其參數與觀測器帶寬相聯系，簡化ESO的設計；原對象中擴張出的代表總擾動的狀態變量x₃被ESO的輸出的z₃跟蹤，通過對z₃進行實時反饋補償，結合控制器輸出進而得到被控對象的最終控制量為：

再采用一個簡單的PD控制組合，其控制器形式為：

u₀＝k_p(r-z₁)-k_dz₂

其中，r是系統的給定輸入，z₁,z₂為來自ESO的觀測狀態輸出，k_p,k_d分別為比例(P)與微分(D)的系數，用-k_dz₂代替便面了對給定輸入進行微分，也就避免了給定輸入快速變化導致的系統振蕩，設計控制器參數為：

k_p＝ω_c²,k_d＝2ω_c

其中，ω_c為控制器帶寬，這樣PD控制器參數唯一與控制器帶寬相聯系，簡化了控制器的整定設計，至此，整個控制系統需要整定的參數只有增益b、觀測器帶寬ω和控制器帶寬ω_c。