一种基于误差观测器的快反镜前馈控制方法

摘要

本发明涉及一种基于误差观测器的快反镜前馈控制方法，针对当前快反镜前馈控制存在的不足，利用CCD提供的视轴误差量和位置环控制器的输出量融合实现一个高增益的观测器，用以实现对目标位置的观测和估计，然后实现对目标位置的前馈控制，减少其CCD跟踪误差。由于此方法是基于CCD传感器的数据融合前馈，因此本发明不仅针对目标跟踪有效，同时也对基于CCD的快反镜扰动抑制有效，使用范围较广。该方法是依靠位置控制器的输出，而不是外环的输出，因此不再受外环传感器的采样率限制，而仅仅是依靠CCD所传回的误差量，这样可简化系统控制流程。同时，该控制结构在实际工程实现中较为简单，计算量更小，控制复杂度更低，也更为直观易懂。

说明书

技术领域

本发明属于光电系统跟踪控制领域，具体的涉及一种基于误差观测器的快反镜前馈控制方法，用于减少跟踪误差，进一步提高快反镜在针对机动目标的跟踪性能。

背景技术

光电跟踪控制系统在实现运动目标跟踪时，主要依靠基于视觉误差的反馈跟踪方式。CCD作为视觉跟踪误差传感器被广泛应用于光电系统中的机架控制回路和快反镜控制回路。快反镜控制回路用于实现目标的高精度锁定和跟踪，其跟踪精度决定着系统的最终整体性能。传统的快反镜跟踪控制主要依靠电涡流位置传感器和CCD视觉误差传感器实现双闭环跟踪控制。但是由于CCD一般为50Hz采样、2～3帧延时，具有采样率低、时间延时大，从而很大程度上限制了外位置环带宽，进而阻碍控制系统跟踪性能。针对此问题，理论和实验证明，前馈控制是最有效的方法之一。当前的前馈控制主要是依靠机架编码器和CCD的数据融合得到目标运动速度，然后进行基于目标速度的前馈。该方法结构较为复杂，需要依靠外部传感器实现；并且在实现目标速度预测时也使用了CCD数据，其中的延时也会导致对目标速度预测误差较大，从而导致使用效果不佳。

发明内容

针对当前快反镜前馈控制存在的不足，本发明的目的是提供一种基于误差观测器的快反镜前馈控制方法，主要是用于提升系统的低频跟踪性能。本方法的核心思想是利用CCD提供的视轴误差量和位置环控制器的输出量融合实现一个高增益的观测器，用以实现对目标位置的观测和估计，然后实现对目标位置的前馈控制，减少其CCD跟踪误差。由于此方法是基于CCD传感器的数据融合前馈，因此本发明不仅针对目标跟踪有效，同时也对基于CCD的快反镜扰动抑制有效，使用范围较广。在针对CCD的采样延时问题上，本方法不再关注如何进行预测估计来减少延时的问题，而是直接采用延时时间对齐，得到一个带同样延时的目标位置信息，然后利用低通滤波器对之进行滤波处理进行前馈，这样的处理方式虽然牺牲了系统在高频的误差抑制能力，但是保证了系统在低频的跟踪性能，以此本方法主要是用于提升系统的低频跟踪能力。在另一方面，本方法是依靠位置控制器的输出，而不是外环的输出，因此本方法不再受外环传感器的采样率限制，而仅仅是依靠CCD所传回的误差量，这样可简化系统控制流程。

为实现本发明的目的，本发明提供一种基于误差观测器的快反镜前馈控制方法，其步骤如下：

步骤(1)：在快反镜跟踪控制系统中安装电涡流位置传感器，用以测量快反镜的偏转角位置量，电涡流传感器的采样频率一般较高，主要是用以实现一个高带宽线性内环，为外环提供一个线性被控对象；

步骤(2)：通过频率响应测试仪对平台的电涡流位置频率对象特性进行测试，输入为控制器输出值，输出为电涡流采样值。高采样率可获得较高精度的电涡流对象模型G(s)，用于实现高带宽内环；

步骤(3)：在获取到被控对象模型G(s)基础上，设计内环位置控制器C_p(s)实现高带宽位置反馈闭环，然后再次通过频率响应测试仪测试位置内环闭环后的对象模型，输入为给定位置，输出为CCD量，此对象模型为外环被控对象模型，称为G_p(s)，然后可设计CCD环控制器C(s)，这样就构成了传统的双闭环控制；

步骤(4)：添加误差观测器，首先把CCD所传回的跟踪误差量通过模型补偿器又因为此处内环带宽高，外环带宽低，在外环带宽有效范围内，可得G_m(s)＝1，也就是CCD误差量在此处可直接使用；然后把当前的内环给定进行延时T₁后与CCD误差量相加，如此可得到当前目标位置估计量；

步骤(5)：根据CCD延时特性设计前馈控制器Q(s)的滤波带宽，然后把目标位置估计量直接作为前馈控制器的输入，计算得到真实前馈量，最后把该前馈量直接加在CCD环位置控制器C(s)的输出，此时的输出量则是作为内环的给定量输入，如此完成前馈操作，实现误差抑制。

其中，步骤(3)中内环位置控制器C_p(s)和CCD外环控制器C(s)都设计为PI控制器，其模型参考如下：

其中，K_P为比例增益，K_I为积分增益。

其中，步骤(4)中的给定进行延时T₁一般通过采样保持延时进行处理，通过确定CCD的延时时间后，T₁则与之对应，这样可使数据时间上对齐。

其中，步骤(5)中前馈控制器Q(s)的设计为如下带一阶滤波环节的控制器模型：

其中，T_f为滤波器滤波带宽因子，当前馈补偿器设计为如上模型后，整个前馈控制器呈现一个高通校正特性，从而有力的提高系统的低频误差抑制能力，也就是低频跟踪性能。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)相对传统的基于目标速度的前馈控制方法，本发明采用基于误差观测器的位置前馈方式，不再需要外部机架传感器来对目标速度进行估计，而仅仅是依靠CCD所传回的误差量，再加上位置控制器的输出，因此本方法不再受外环传感器的采样率限制，这样可简化系统控制流程；

(2)本方法可有效提高系统的低频跟踪性能，减少跟踪误差，而同时保证高频误差不发散，满足实际工程对跟踪的精度需求；

(3)本方法是基于CCD传感器的数据融合前馈，因此此发明不仅针对目标跟踪有效，同时也对基于CCD的快反镜扰动抑制有效，使用范围较广；同时，该控制结构在实际工程实现中较为简单，计算量更小，控制复杂度更低，也更为直观易懂。

附图说明

图1是本发明的一种基于误差观测器的快反镜前馈控制方法的控制框图。

图2是本发明的一种基于误差观测器的快反镜前馈控制方法的误差抑制对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如附图1所示是一种基于误差观测器的快反镜前馈控制方法的控制框图，其中包括一个高带宽电涡流内环、一个CCD位置外环和一个误差观测器。本方法的核心思想是利用CCD提供的视轴误差量和位置环控制器的输出量融合实现一个高增益的观测器，用以实现对目标位置的观测和估计，然后实现对目标位置的前馈控制，减少其CCD跟踪误差。采用所述装置实现前馈控制方法的具体实施步骤如下：

步骤(1)：在快反镜跟踪控制系统中安装电涡流位置传感器，用以测量快反镜的偏转角位置量。电涡流传感器的采样频率一般较高，主要是用以实现一个高带宽线性内环，为外环提供一个线性被控对象；

步骤(2)：通过频率响应测试仪对平台的电涡流位置频率对象特性进行测试，输入为控制器输出值，输出为电涡流采样值。高采样率可获得较高精度的电涡流对象模型G(s)，用于实现高带宽内环；

步骤(3)：在获取到被控对象模型G(s)基础上，设计内环位置控制器C_p(s)实现高带宽位置反馈闭环，然后再次通过频率响应测试仪测试位置内环闭环后的对象模型，输入为给定位置，输出为CCD量，此对象模型为外环被控对象模型，称为G_p(s)，然后可设计CCD环控制器C(s)，这样就构成了传统的双闭环控制；其中内环位置控制器C_p(s)和CCD外环控制器C(s)都设计为PI控制器，其模型参考如下：

其中，K_P为比例增益，K_I为积分增益。

步骤(4)：添加误差观测器，首先把CCD所传回的跟踪误差量通过模型补偿器又因为此处内环带宽高，外环带宽低，在外环带宽有效范围内，可得G_m(s)＝1，也就是CCD误差量在此处可直接使用；然后把当前的内环给定进行延时T₁后与CCD误差量相加，如此可得到当前目标位置估计量。给定进行延时T₁一般通过采样保持延时进行处理，通过确定CCD的延时时间后，T₁则与之对应，这样可使数据时间上对齐；

步骤(5)：根据CCD延时特性设计前馈控制器Q(s)的滤波带宽，然后把目标位置估计量直接作为前馈控制器的输入，计算得到真实前馈量，最后把该前馈量直接加在CCD环位置控制器C(s)的输出，此时的输出量则是作为内环的给定量输入，如此完成前馈操作，实现误差抑制。前馈控制器Q(s)的设计为如下带一阶滤波环节的控制器模型：

其中，T_f为滤波器滤波带宽因子。当前馈补偿器设计为如上模型后，整个前馈控制器呈现一个高通校正特性，从而有力的提高系统的低频误差抑制能力，也就是低频跟踪性能。

下面以一快反镜跟踪平台实验系统为例对本发明的设计过程和效果进行详细说明：

(1)通过频率响应测试仪测出系统的电涡流位置模型为如下G(s)，然后可设计内环位置控制器为C_p(s)和外环CCD控制器C(s)实现双环闭环，其中CCD频率为50Hz，延时为3帧(60ms)；

(2)设计内环给定进行延时T₁为60ms，延时3帧，和CCD延时保证一致，然后设计前馈控制器Q(s)为如下，其带宽约为1Hz；

(3)如图2是本发明的跟踪误差抑制能力对比图。在相同情况下，可以明确看出在采用基于误差观测器进行前馈控制后，系统的低频的误差抑制能力大大提高，同时也在高频保证系统稳定特性，延续了高频的误差抑制能力。