[發(fā)明專利]一種基于改進(jìn)型重復(fù)自抗擾的光電跟蹤系統(tǒng)控制方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110402712.6
• 申請(qǐng)日: 2021-04-14
• 公開（公告）號(hào): CN113189872A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 毛耀;聶康;李志俊;任戈
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明

本發(fā)明公開了一種基于改進(jìn)型重復(fù)自抗擾的光電跟蹤系統(tǒng)控制方法，該方法通過引入時(shí)延環(huán)節(jié)、水床調(diào)節(jié)函數(shù)和低通濾波器，緩解傳統(tǒng)重復(fù)控制對(duì)非周期擾動(dòng)分量的放大和解決實(shí)際作用頻率點(diǎn)的偏移；同時(shí)不需要額外的傳感器或信號(hào)獲取，僅僅使用精密定位控制系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)，構(gòu)造一個(gè)改進(jìn)型的自抗擾控制方法來觀測(cè)和估計(jì)光電跟蹤系統(tǒng)中存在的不確定性和擾動(dòng)，并通過補(bǔ)償?shù)捷斎攵藢?shí)現(xiàn)總擾動(dòng)的消除。該方法是從控制算法上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，不需要添加任何硬件結(jié)構(gòu)，控制成本低；該方法思路清晰，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易調(diào)整，在工程上可直接應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電跟蹤與穩(wěn)定控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于重復(fù)自抗擾的控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)精密定位控制系統(tǒng)中存在的不確定性、周期頻率擾動(dòng)和非周期寬帶擾動(dòng)的抑制。

背景技術(shù)

光電跟蹤系統(tǒng)是以機(jī)械結(jié)構(gòu)、光電傳感器和穩(wěn)定控制方法構(gòu)成的高精度跟蹤和定位設(shè)備，在天文觀測(cè)、自由光通信、慣性平臺(tái)穩(wěn)定等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在過去幾十年里，無論是最初的光電經(jīng)緯儀還是目前最為先進(jìn)的空間望遠(yuǎn)鏡，傾斜鏡控制系統(tǒng)都是光電跟蹤系統(tǒng)中的精密定位控制系統(tǒng)，穩(wěn)定控制傾斜鏡也是最終實(shí)現(xiàn)高跟蹤精度和定位性能的關(guān)鍵技術(shù)。為了充分達(dá)到所需要的控制性能，對(duì)擾動(dòng)的抑制和不確定性的魯棒性是提高精密控制技術(shù)的基本屬性。一方面，擾動(dòng)始終存在在光電控制系統(tǒng)中，包括外界環(huán)境的風(fēng)矩、電機(jī)力矩、平臺(tái)的振動(dòng)等，其中大部分的擾動(dòng)頻率范圍表征在寬帶低頻。近些年，光電跟蹤系統(tǒng)從傳統(tǒng)的地基平臺(tái)向汽車、艦船、飛機(jī)、衛(wèi)星等運(yùn)動(dòng)載體發(fā)展，突破了時(shí)間和空間的限制得到了更好的發(fā)揮。其中，不可忽視的是運(yùn)動(dòng)載體帶來的周期性振動(dòng)，例如：履帶車收到的由履帶拍打產(chǎn)生的振動(dòng)，其基頻為履帶節(jié)距/車速；直升飛機(jī)受到主旋翼和尾槳帶來的恒定旋轉(zhuǎn)振動(dòng)；艦船上的周期振動(dòng)是由螺旋槳葉片的擾動(dòng)和螺旋槳軸系的不平衡力引起的。這些復(fù)雜且隨機(jī)的擾動(dòng)將影響閉環(huán)跟蹤精度甚至破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的重復(fù)控制在周期信號(hào)的基頻和諧波頻率點(diǎn)上可以提升抑制/跟蹤能力，但是在其他頻段會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的水床效應(yīng)，即放大非重復(fù)頻率段的擾動(dòng)，惡化控制性能。另一方面，精密定位控制系統(tǒng)在工作過程中隨著其姿態(tài)、角度運(yùn)動(dòng)的變化，自身負(fù)載或質(zhì)量不平衡導(dǎo)致傾斜鏡的被控特性發(fā)生變化，這些不確定的動(dòng)態(tài)性能使得控制精度降低。此外，控制真實(shí)設(shè)備同樣普遍存在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型參數(shù)的不確定性，這些不可避免的建模不準(zhǔn)確性使得基于已知模型設(shè)計(jì)的控制器無法達(dá)到期望的控制性能。因此，采用高性能的控制算法來主動(dòng)克服這些周期擾動(dòng)、非周期擾動(dòng)和不確定性顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種改進(jìn)型重復(fù)自抗擾控制方法，通過引入時(shí)延環(huán)節(jié)、水床調(diào)節(jié)函數(shù)和低通濾波器，緩解傳統(tǒng)重復(fù)控制對(duì)非周期擾動(dòng)分量的放大和解決實(shí)際作用頻率點(diǎn)的偏移；同時(shí)不需要額外的傳感器或信號(hào)獲取，僅僅使用精密定位控制系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)，構(gòu)造一個(gè)改進(jìn)型的自抗擾控制方法來觀測(cè)和估計(jì)系統(tǒng)中存在的不確定性和擾動(dòng)，并通過補(bǔ)償?shù)捷斎攵藢?shí)現(xiàn)總擾動(dòng)的消除。整個(gè)控制系統(tǒng)的具體實(shí)施步驟如下：

步驟(1)：搭建一個(gè)精密定位控制實(shí)驗(yàn)裝置，包括光源、位置探測(cè)器、傾斜鏡、電機(jī)、控制器和驅(qū)動(dòng)放大模塊，光源發(fā)射的激光通過傾斜鏡反射進(jìn)入位置探測(cè)器，位置探測(cè)器將激光位置輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換給控制器，控制器按照給定的控制算法得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)量，并通過驅(qū)動(dòng)放大模塊致動(dòng)傾斜鏡，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)誤差校正，從而穩(wěn)定光軸在位置探測(cè)器中心，整個(gè)控制系統(tǒng)以狀態(tài)空間的形式可以表示為：

其中，y,x₁為系統(tǒng)輸出狀態(tài)，即位置探測(cè)器獲取的光源位置輸出信號(hào)，x₂為輸出狀態(tài)的一階導(dǎo)，u是系統(tǒng)的輸入信號(hào)，即控制計(jì)算得到的驅(qū)動(dòng)電壓，w是系統(tǒng)存在的不確定性和擾動(dòng)，a₁,a₂,b₀是控制系統(tǒng)部分已知的近似參數(shù)。

步驟(2)：在經(jīng)典閉環(huán)系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)重復(fù)控制，在跟蹤誤差信號(hào)到控制器給定輸入信號(hào)之間并聯(lián)一個(gè)時(shí)滯模型，該模型是一個(gè)正反饋環(huán)節(jié)，可以表示為其中，前向通道由延遲環(huán)節(jié)和低通濾波器q(s)串聯(lián)構(gòu)成，M_CRC(s)是傳統(tǒng)重復(fù)控制內(nèi)模的復(fù)數(shù)域傳遞函數(shù)表達(dá)式。