一种运动平台光电系统高精度视轴稳定控制方法

摘要

本发明公开一种运动平台光电系统高精度视轴稳定控制方法，在跟踪机架方位轴上安装有方位速角率陀螺A，在俯仰轴上安装有俯仰角速率陀螺E，机架采用A、E陀螺反馈闭环实现粗稳定，主要抑制低频扰动；对A、E陀螺信号滤波解耦跟踪信息和扰动信息，得到粗稳定剩余的高频扰动量，利用跟踪快反镜构成精稳定，主要抑制中高频频段扰动；精稳定控制采用前馈控制方法，并对跟踪镜采用位置传感器闭环，将位置闭环整体当作扰动前馈的被控对象，减小因跟踪镜特性变化对扰动前馈的影响。本发明充分利用机架陀螺信息，实现粗稳定加精稳定的复合稳定控制方式，有效的扩展扰动抑制带宽，提高视轴稳定精度，并且结构简单、稳定可靠、工程实现容易。

说明书

技术领域

本发明涉及惯性稳定控制领域，具体涉及一种运动平台光电系统高精度稳定控制方法，主要用于抑制载体扰动和摩擦干扰，获得高精度的视轴稳定结果。

背景技术

运动载体上的光电系统视轴会受到载体扰动的影响，因此，必须建立稳定控制分系统，隔离载体扰动，使系统视轴不受扰动的影响。目前常用的稳定控制方法有两类：一种是在机架上安装惯性速率传感器，机架采用惯性速率反馈闭环，形成速度稳定回路。这种方法的好处是简单易实现，但是由于机架稳定控制带宽比较低，一般都在几赫兹左右，机架稳定只能对低频扰动有效。另外一种是采用机架稳定加视轴基准。由于采用了视轴基准，这种方法的好处是可以获得很高的扰动抑制带宽。但是添加视轴基准极大的增加了系统的复杂度和成本，不易于工程实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提出一种运动平台光电系统高精度视轴稳定控制方法，利用机架陀螺信号，解耦获得高频扰动信息，并用跟踪镜作为执行机构抑制高频扰动，有效的扩展扰动抑制带宽，获得高精度的视轴稳定结果。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：一种运动平台光电系统高精度视轴稳定控制方法，在机架的方位轴上安装角速率陀螺A测试方位轴角速度，在机架俯仰轴上安装角速率陀螺E测试俯仰轴角速度，机架方位轴和俯仰轴分别采用A、E陀螺反馈闭环，构成粗稳定回路，主要抑制低频大幅度扰动；对陀螺A、陀螺E信号解耦，分解低频目标跟踪信息和高频扰动角速率信息；将解耦得到陀螺A和陀螺E的扰动角速率积分并前馈控制到跟踪镜的回路，构成精稳定回路，主要抑制中高频扰动，通过粗稳定和精稳定共同作用得到高精度的视轴稳定，该方法的扰动抑制能力为：

$\frac{d\left(s\right)}{Y\left(s\right)}=\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{aux}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}-\frac{C_5\left(s\right)G_2\left(s\right)}{1+W_{aux}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}*G_{HF}\left(s\right)---\left(1\right)$

其中，

$G_1\left(s\right)=\frac{C_1\left(s\right)P_1\left(s\right)}{1+C_1\left(s\right)P_1\left(s\right)},$

$G_2\left(s\right)=\frac{C_4\left(s\right)P_2\left(s\right)}{1+C_4\left(s\right)P_2\left(s\right)},$

W_aux(s)＝C₃(s)*G₂(s)，

W_vel(s)＝C₁(s)P₁(s)；

d(s)：扰动；

Y(s)：视轴位置；

P₁(s)：机架速度回路特性；

C₁(s)：机架速度回路控制器；

C₂(s)：粗跟踪回路控制器；

P₂(s)：快反镜特性；

C₃(s)：精跟踪回路控制器；

C₄(s)：快反镜位置回路控制器；

C₅(s)：精稳定控制器；

C_HF(s)：滤波器；

低频段G_HF(s)≈0，因此低频段扰动抑制能力为：

$\frac{d\left(s\right)}{Y\left(s\right)}=\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}\frac{1}{1+W_{aux}\left(s\right)}---\left(2\right)$

高频段G_HF(s)≈1，因此高频段扰动抑制能力为：

$\frac{d\left(s\right)}{Y\left(s\right)}=\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}\left[\frac{1-C_5\left(s\right)G_2\left(s\right)}{1+W_{aux}\left(s\right)}\right]---\left(3\right)$

公式(1)和公式(3)显示，在低频段，系统扰动抑制能力等于常规控制方法的能力；在高频段，系统扰动能力等于常规扰动抑制加精稳定扰动抑制能力。

更进一步的，对陀螺A和陀螺E跟踪信息和扰动信息的解耦方法采用高通滤波解耦但不限于高通滤波解耦，采用高通滤波方法解耦的优点是简单明了，分解低频目标信息和高频扰动信息，同时也能滤掉陀螺漂移。

更进一步的，跟踪快反镜采用位置传感器反馈闭环，将闭环后的整体作为高频扰动前馈控制的被控对象，位置回路的带宽一般比较高，闭环传递函数为高带宽位置内回路的目的减小快反镜特性变化对扰动前馈的影响。

更进一步的，精稳定回路不仅对外部扰动具有抑制作用，对内部扰动，如摩擦等仍然具有抑制作用。

本发明相对于现有技术的优点有：

(1)本发明不需要增加额外的硬件，且控制算法简单，稳定可靠，工程实现容易。

(2)本发明采用机架陀螺的高频扰动信息前馈到跟踪镜，有效地扩展扰动抑制带宽。

(3)本发明不仅提高系统对外部扰动的抑制能力，同时也能提高对内部扰动的抑制能力。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图，其中，1为跟踪机架，2为俯仰轴，3为跟踪快反镜，4为陀螺A，5为陀螺E，6为精探测，7为方位轴；

图2为本发明控制结构图；其中，机架速度回路被控对象记为P₁(s)；机架速度回路控制器记为C₁(s)；机架跟踪回路控制器记为C₂(s)；跟踪快反镜位置回路特性记为P₂(s)；跟踪镜位置回路控制器记为C₄(s)；跟踪镜跟踪回路控制器记为C₃(s)；扰动解耦的高通滤波器记为G_HF(s)；解耦出来的剩余扰动量记为df；扰动前馈控制器记为C₅(s)；目标位置输入记为R(s)；扰动记为d(s)；系统视轴输出记为Y(s)。

图3为对比有无精稳定时系统扰动抑制仿真结果；

图4为在8Hz外部扰动下，对比有无精稳定系统稳定精度；其中，图4(a)为没有精稳定的稳定精度，图4(b)为有精稳定的稳定精度。

图5为在13Hz外部扰动下，对比有无精稳定系统稳定精度；其中，图5(a)为没有精稳定的稳定精度，图5(b)为有精稳定的稳定精度。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式说明本发明，本领域的技术人员可根据本说明书揭示的内容了解本发明的功效及优点。

如图1所示，在机架方位轴上安装有角速率陀螺A，陀螺A敏感轴和机架方位轴平行；在机架俯仰轴上安装有角速率陀螺E，陀螺E敏感轴和机架俯仰轴平行。

按照图2所示建立控制系统：机架方位轴、俯仰轴分别用陀螺A、陀螺E反馈信号闭环形成粗稳定回路；机架跟踪回路采用粗电视脱靶量闭环；跟踪快反镜采用位置传感器反馈闭环，形成高带宽位置内回路，将位置回路整体特性当作扰动前馈控制的被控对象；跟踪快反镜跟踪回路采用精电视脱靶量闭环；对陀螺A、陀螺E进行高通滤波，得到图2所示的df就代表机架稳定之后剩余的扰动量；将df积分并经过前馈控制器C₅(s)计算出扰动前馈控制量，前馈到跟踪镜位置回路；设计控制器C₁(s)、C₂(s)、C₃(s)、C₄(s)为PI控制器，设计G_HF(s)为二阶高通滤波器，带宽4Hz，设计控制C₅(s)为1。

系统总的扰动抑制能力为：

$\frac{d\left(s\right)}{Y\left(s\right)}=\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{aux}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}-\frac{C_5\left(s\right)G_2\left(s\right)}{1+W_{aux}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}*G_{HF}\left(s\right)$

其中，

$G_1\left(s\right)=\frac{C_1\left(s\right)P_1\left(s\right)}{1+C_1\left(s\right)P_1\left(s\right)},$

$G_2\left(s\right)=\frac{C_4\left(s\right)P_2\left(s\right)}{1+C_4\left(s\right)P_2\left(s\right)},$

W_aux(s)＝C₃(s)*G₂(s)，

W_vel(s)＝C₁(s)P₁(s)；

d(s)：扰动；

Y(s)：视轴位置；

P₁(s)：机架速度回路特性；

C₁(s)：机架速度回路控制器；

C₂(s)：粗跟踪回路控制器；

P₂(s)：快反镜特性；

C₃(s)：精跟踪回路控制器；

C₄(s)：快反镜位置回路控制器；

C₅(s)：精稳定控制器；

C_HF(s)：滤波器。

低频段G_HF(s)≈0，因此低频段扰动抑制能力为：

$\frac{d\left(s\right)}{Y\left(s\right)}=\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}\frac{1}{1+W_{aux}\left(s\right)}$

高频段G_HF(s)≈1，因此高频段扰动抑制能力为：

$\frac{d\left(s\right)}{Y\left(s\right)}=\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}\left[\frac{1-C_5\left(s\right)G_2\left(s\right)}{1+W_{aux}\left(s\right)}\right]$

实施实例：

某一个实际的系统，跟踪快反镜位置特性，即图2中的P₂(s)为：

$P_2\left(s\right)=K*\frac{{\omega }^2}{s^2+2\xi \omega s+{\omega }^2}*\frac{1}{1/2\pi /{\omega }_{1}s+1}*\frac{1}{1/2\pi /{\omega }_{2}s+1}$

其中：K＝1.4,ω＝2π*163,ξ＝0.1,ω₁＝350,ω₂＝600

设计跟踪镜位置回路闭环控制器C₄(s)为：

$C_4\left(s\right)=\frac{3.5356*(s+2199)(s^2+204.8s+1.049*{10}^6)}{s(s+4469)(s+4345)}$

设计高通滤波器G_HF(s)：

$G_{HF}\left(s\right)=\frac{1}{s^2+32.7s+630.2}$

设计前馈控制器C₅(s)＝1。

图3所示为对比有无精稳定时系统扰动抑制能力仿真结果。从图3可以看出，添加精稳定之后，提高了系统在中高频段的扰动抑制能力。

图4所示为在8Hz外部扰动下，对比有无精稳定系统稳定精度。通过对比有无精稳定系统的脱靶量，计算出精稳定在8Hz的扰动抑制比为：X轴：-31.56dB，Y轴：-30.29dB。即：添加精稳定之后，将系统在8Hz处的扰动抑制能力提高了30dB左右。图5所示为在13Hz外部扰动下，对比有无精稳定系统稳定精度。通过有无精稳定系统的脱靶量，计算出精稳定在13Hz的扰动抑制比为：X轴：-21.07dB，Y轴：-19.6dB。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。