[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

本發明公開了一種基于擴張狀態觀測器的光電跟蹤系統控制方法，屬于光電系統跟蹤控制領域，通過設計擴張狀態觀測器，將系統未知部分定義為總擾動并擴張成一個新的狀態變量，僅利用系統的輸入輸出實時觀測出系統原有狀態和被擴張的狀態變量，添加總擾動補償回路，采用經典的PD組合來實施控制器的設計，結合控制器輸出和總擾動估計值的補償來最終決定被控系統控制量，從而實現系統閉環跟蹤控制。并將比例、微分系數與控制器帶寬相聯系，簡化控制器的參數整定，減小跟蹤誤差，進一步提升光電跟蹤設備的控制品質和跟蹤性能。

技術領域

本發明屬于光電系統跟蹤控制領域，具體涉及一種基于擴張狀態觀測器的光電跟蹤系統控制方法，將擴張狀態觀測器與PID控制器有效地結合，實現對未知不確定性部分的估計和補償，減小跟蹤誤差，進一步提升運動平臺光電跟蹤設備的跟蹤性能。

背景技術

在光電跟蹤系統中，當目標進入電視或紅外視場中，目標相對于視場中心的偏差角度即為跟蹤偏差量，以偏差量作為誤差完成閉環可實現對目標的跟蹤控制。控制系統中的負反饋對擾動有一定的抑制作用，但不能完全消除其影響，采用什么樣的措施來有效的消除各種擾動的影響，始終是控制系統設計者們要考慮的重要課題。消除擾動影響，在控制工程歷史上曾出現過兩個原理：(1)40年代蘇聯學者提出的“絕對不變性原理”，也叫“雙通道原理”，想要克服外擾影響，就要測量外擾，控制器必須同時含有反饋穩定的通道和抑制外擾的通道；(2)20世紀70年代加拿大學者提出的“內模原理”，若要求一個反饋控制系統具有良好的跟蹤指令以及抵消擾動影響的能力，并且這種對誤差調節過程是穩定的，則在反饋控制環路內部必須包含一個描述外部輸入信號指令信號和擾動信號的動力學特性的數學模型，該數學模型就是所謂的內模。

由于實際的光電跟蹤系統通常很難得到模型的準確描述，且上述兩種方法對于隨機性的未知擾動均無法抑制，所以在控制工程領域，經典PID控制作為應用最廣的控制規律，基于誤差消除誤差是經典PID留給我們的寶貴思想，但僅利用傳感器測得的誤差信號實現PID控制并不容易滿足高性能控制的需求，所以中科院韓京清研究員提出了一種非線性擴張狀態觀測器來從系統輸出信息中提煉出系統內部未知不確定性和外部擾動的作用量，因為從完成控制的目的來看，如果某一種擾動作用不影響系統的被控輸出，即這種擾動從被控輸出不能觀測或這種擾動不能控制被控輸出，那么在控制被控輸出的過程中是用不著考慮消除這種擾動的影響。需要消除的是能夠影響被控輸出的那種擾動，其作用就必然會反映在這個被控輸出信息中，從而就可能以適當的方法處理被控輸出信號來估計其作用，既然能估計出影響被控輸出的擾動作用，就有可能用補償的辦法來消除其影響。在控制工程中常常采用“前饋補償”的措施，這實際上是直接或間接測量擾動來進行“擾動補償”的辦法。

發明內容

擴張狀態觀測器(ESO)，用于解決主動抗擾技術中擾動觀測這一核心問題，借用狀態觀測器的思想，將影響被控對象輸出的擾動作用擴張成新的狀態變量，用特殊的反饋機制來建立能夠觀測被擴張的狀態，即擾動作用的擴張狀態觀測器。這個擴張狀態觀測器并不依賴生成擾動的具體數學模型，也不需要去測量就能對擾動進行觀測，得到估計值。所以從某種意義上說，擴張狀態觀測器是通用而實用的擾動觀測器。

若假設系統中含有非線性動態、模型不確定性以及外部擾動，則均可以用擴張狀態觀測器對其進行實時觀測并加以補償，將總擾動擴張成系統的一個新狀態變量，然后利用系統的輸入輸出重構出包含系統原有狀態變量與總擾動(擴張狀態變量)的所有狀態，實時跟蹤估計擾動作用，從而用補償的辦法消除其影響，減小跟蹤誤差。

但由于非線性擴張狀態觀測器中參數較多，調節可能較為復雜，難以簡單快速的實現控制目標，所以對其進行線性簡化，將非線性擴張狀態觀測器中的非線性函數fal(e,α,δ)取為線性形式，比如fal(e,1.0,δ)＝e的形式，具體表達式見步驟(4)的具體實施，這樣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，保持較好性能的同時簡化ESO的設計和調參；再采用一個簡單的PD控制組合，并將比例系數、微分時間常數與控制器帶寬相聯系，簡化控制器的整定，提高控制品質。