CN109541945A - 一种基于复合型扰动观测器的扰动抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于复合型扰动观测器的扰动抑制方法，针对控制系统稳定平台低频和中频扰动抑制能力不足，无法满足更高精度稳定控制系统需求的问题。本方法在多闭环控制基础上，对传统的扰动观测器设计进行了改进，提出了复合型扰动观测器结构，并给出了复合型扰动观测器中内外环前馈补偿控制器的设计方法。本发明利用复合型扰动观测器中的外环来估计、反相前馈中频段和外界扰动，利用内环来估计、反相前馈低频段和外界扰动，使复合型扰动观测器的内外环同时作用，最终达到同时提升系统低频段和中频段扰动抑制能力，提升控制系统稳定精度的目的。
Description
技术领域
本发明属于稳定控制领域，具体的涉及一种基于复合型扰动观测器的扰动抑制方法，主要提高系统低频和中频的扰动抑制能力，从而进一步提升运动平台稳定设备稳定性能。
背景技术
在控制设备中，系统的稳定精度会受到外界扰动的影响，如地面震动，空气流动引起的摄动导致的稳定平台震动。尤其是安装在如飞机，汽车，轮船上的稳定设备，会由于安装载体的不规则运动导致稳定平台存在大量宽频段扰动。由于安装载体受到扰动的影响，系统的稳定性能会大幅下降，会降低稳定精度，甚至失去稳定。在控制方法上，传统的控制系统控制策略是采用多闭环控制，以MEMS加速度计，光纤陀螺和图像传感器CCD分别作为加速度、速度和位置传感器来获得稳定平台的动态数据，建立速度、位置双闭环或者加速度、速度、位置三闭环的控制回路来提升系统的稳定性和扰动抑制能力。在此基础上，文献《MEMS Inertial Sensors-Based Multi-Loop Control Enhanced by DisturbanceObservation and Compensation for Fast Steering Mirror System》(sensors，Vol(16)，2016)将传统扰动观测器引进到加速度环来进一步提升系统的扰动抑制能力。但是由于传统扰动观测器的结构，其前馈补偿控制器不能设计为理想前馈补偿控制器，因为理想的前馈补偿控制器是个非因果系统，是物理不可实现的。因此传统的扰动观测器的实际前馈补偿控制器不得不改变控制器结构，使得实际的扰动抑制能力提升效果只在中频段。然而实际控制系统中，外界扰动除了分布在中频段，还有很大一部分分布在低频段。为了增强控制系统的扰动抑制能力，提升系统的稳定精度，需要同时提升系统低频段和中频段的扰动抑制能力。
发明内容
为提高控制系统稳定平台的扰动抑制能力，满足更高精度稳定控制需求，本发明提出了一种基于复合型扰动观测器的扰动抑制方法，本方法在加速度、速度、位置三环闭环后，在加速度环内利用复合型扰动观测补偿控制器对外部载体扰动力矩进行观测、估计和补偿，从而抵消外部低频段和中频段的扰动力矩，提升系统低频、中频的扰动抑制能力，进一步提高稳定平台稳定能力。复合型扰动观测器主要是又两个前馈补偿节点，外环的前馈到加速度控制器输出的位置，内环的前馈到被控对象的驱动量输入的位置。利用外环前馈补偿控制器来抑制中频段扰动，内环前馈补偿控制器来抑制低频段扰动。根据数学推算和实验验证，内环和外环同时作用的复合型扰动观测器可以很好的同时抑制更多的控制系统低频、中频外界扰动，提升系统的稳定能力。
为实现本发明的目的，本发明提供一种基于复合型扰动观测器的扰动抑制方法，其方法步骤如下：
步骤(1)：在控制稳定平台的两偏转轴上分别安装陀螺和加速度计，用以分别敏感平台两轴在惯性空间运动的角速度和角加速度。这里的速度和加速度的采样频率一般较高，用以实现高带宽内环。将控制稳定平台的光信号送到图像传感器CCD，获得被控对象的位置信号，其采样频率较低；
步骤(2)：由于控制系统是一个线性系统，通过频率响应测试仪DSA可对平台的加速度频率对象特性进行测试。DSA输入为驱动器输入值，DSA输出为加速度计采样值。高采样率可获得较高精度的加速度对象模型
步骤(3)：在获取到对象模型基础上，设计加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环，然后设计速度控制器Cv(s)实现速度反馈闭环，最后设计位置控制器Cp(s)和位置闭环，这样就实现了传统的三环闭环控制；
步骤(4)：在加速环内添加被控对象的数学模型是控制稳定平台的测量对象模型，是真实被控对象Ga(s)的高精度逼近。把加速度控制器的输出分别同时输入给Ga(s)和加速度计输出还包含了外界扰动的影响，将两者的输出量做差，可观测出角加速度扰动量的估计量；
步骤(5)：设计复合型扰动观测器的外环前馈补偿控制器Cf2(s)，把观测出的中频段扰动角加速度量转换为加速度控制给定量来进行反相前馈补偿，从而实现对中频段的外部扰动的抵消。
其中，步骤(5)中外环前馈补偿控制器Cf2(s)设计时为如下带二阶滤波环节的控制器模型：
其中，Kf为前馈控制器增益，Te为加速度对象模型中滞后因子，wf为二阶滤波器滤波带宽因子，ξf二阶滤波器滤波阻尼因子，当前馈补偿控制器设计为如上模型后，整个扰动观测补偿控制器呈现一个超前滞后校正特性，从而实现中频段的扰动抑制能力的提升。
步骤(6)：设计复合型扰动观测器的内环前馈补偿控制器Cf1(s)如下：
其中，是被控对象数学模型的逆，K为需要设定的参数，因为加速度计低频漂移的原因，K值不能取得太大，K的取值还与具体的加速度计性能有关。使用复合型扰动观测器的内环结构和内环前馈补偿控制器Cf1(s)之后，系统的扰动抑制能力的提升部分可以表达为Tdis，其中adis为外界加速度扰动量，可见系统低频段的扰动抑制能力得到了提升：
步骤(7)：在系统的加速度环使用内环和外环扰动观测器结构，同时使用相应的内外环前馈补偿控制器反相将不同频段的扰动估计量前馈到控制回路，组成复合型扰动观测器，达到同时抑制低频段和中频段的外界扰动的目的。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)相对三闭环与传统扰动观测器结合的控制方法，本发明对扰动观测器的结构进行改进，提出内环与外环同时作用的复合型扰动观测器，使其能在外环扰动观测器作用下提升系统中频段扰动抑制能力，内环扰动观测器作用下提升系统低频段扰动抑制能力在保证中频扰动抑制能力；
(2)因为内环与外环的扰动观测器在扰动抑制方面其效果可以线性叠加，不会干扰的彼此的前馈补偿控制器设计，因此使用简单，易于实现，效果明显；
(3)本发明的内环与外环的前馈补偿控制器与传统三闭环的加速度、速度、位置控制器解耦，不影响三闭环本来的设计，实用性好；
(4)本发明思路清晰，结构简单，是从算法层面提升系统的扰动抑制能力，不需要单独添加硬件，节约了成本，可很好地发挥优势。
附图说明
图1是本发明的一种基于复合型扰动观测器的扰动抑制方法的控制框图；
图2是本发明的一种基于复合型扰动观测器的扰动抑制方法的时域稳定误差对比图；
图3是本发明的相对于传统三闭环、及其结合传统扰动观测器方法后的整体抑制能力对比图。
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。
如图1所示是一种基于复合型扰动观测器的扰动抑制方法的控制框图，其中包括复合型扰动观测补偿控制器的内外回路、加速度回路、速度回路、CCD位置回路；利用复合型扰动观测器内外环同时补偿外界扰动的控制方法和传统的三闭环控制方法相结合，进一步以对不同频段的加速度扰动量进行观测、估计和反相前馈，从而提高系统低频段和中频段的扰动抑制能力。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)：在控制稳定平台的两偏转轴上分别安装陀螺和加速度计，用以分别敏感平台两轴在惯性空间运动的角速度和角加速度。这里的速度和加速度的采样频率一般较高，用以实现高带宽内环。将控制稳定平台的光信号送到图像传感器CCD，获得被控对象的位置信号，其采样频率较低；
步骤(2)：由于控制系统是一个线性系统，通过频率响应测试仪DSA可对平台的加速度频率对象特性进行测试。DSA输入为驱动器输入值，DSA输出为加速度计采样值。高采样率可获得较高精度的加速度对象模型
步骤(3)：在获取到对象模型基础上，设计加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环，然后设计速度控制器Cv(s)实现速度反馈闭环，最后设计位置控制器Cp(s)和位置闭环，这样就实现了传统的三环闭环控制；
步骤(4)：在加速环内添加被控对象的数学模型是控制稳定平台的测量对象模型，是真实被控对象Ga(s)的高精度逼近。把加速度控制器的输出分别同时输入给Ga(s)和加速度计输出还包含了外界扰动的影响，将两者的输出量做差，可观测出角加速度扰动量的估计量；
步骤(5)：设计复合型扰动观测器的外环前馈补偿控制器Cf2(s)，把观测出的中频段扰动角加速度量转换为加速度控制给定量来进行反相前馈补偿，从而实现对中频段的外部扰动的抵消。
其中，步骤(5)中外环前馈补偿控制器Cf2(s)设计时为如下带二阶滤波环节的控制器模型：
其中，Kf为前馈控制器增益，Te为加速度对象模型中滞后因子，wf为二阶滤波器滤波带宽因子，ξf二阶滤波器滤波阻尼因子，当前馈补偿控制器设计为如上模型后，整个扰动观测补偿控制器呈现一个超前滞后校正特性，从而实现中频段的扰动抑制能力的提升。
步骤(6)：设计复合型扰动观测器的内环前馈补偿控制器Cf1(s)如下：
其中，是被控对象数学模型的逆，K为需要设定的参数，因为加速度计低频漂移的原因，K值不能取得太大，K的取值还与具体的加速度计性能有关。使用复合型扰动观测器的内环结构和内环前馈补偿控制器Cf1(s)之后，系统的扰动抑制能力的提升部分可以表达为Tdis，其中adis为外界加速度扰动量，可见系统低频段的扰动抑制能力得到了提升：
步骤(7)：在系统的加速度环使用内环和外环扰动观测器结构，同时使用相应的内外环前馈补偿控制器反相将不同频段的扰动估计量前馈到控制回路，组成复合型扰动观测器，达到同时抑制低频段和中频段的外界扰动的目的。
下面以一控制系统稳定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加速度传递函数模型为，在设计过程中可认为Ga(s)和近似相等：
(2)通过加速度对象模型可以此设计出加速度、速度、位置控制器如下：
(3)当实现经典三环闭环控制后，设计外环的前馈补偿控制器为：
(4)当实现经典三环闭环控制后，设计内环的前馈补偿控制器为：
(5)如图2是本发明的稳定误差对比图。在相同的环境扰动情况下，通过对比三闭环方法，三闭环加传统扰动观测器方法和三闭环加复合型扰动观测器方法，可以发现采用本发明提出的复合型扰动观测器方法后，系统的残差有了非常明显的下降。
(6)如图3是本发明的整体抑制能力对比图。与传统三闭环方法和三闭环加传统扰动观测器方法相比，可以明确看出复合型扰动观测器可以同时有力地提高系统低频段和中频段扰动抑制能力，非常适合大量扰动存在于低频段和中频段的真实环境。
Claims (4)
1.一种基于复合型扰动观测器的扰动抑制方法，其特征在于：该方法步骤如下：
步骤(1)：在控制稳定平台的两偏转轴上分别安装陀螺和加速度计，用以分别敏感平台两轴在惯性空间运动的角速度和角加速度；将控制稳定平台的光信号送到图像传感器CCD，获得被控对象的位置信号；
步骤(2)：通过频率响应测试仪DSA可对平台的加速度频率对象特性进行测试，DSA输入为控制器输出值，DSA输出为加速度计采样值，从而可获得较高精度的加速度对象模型
步骤(3)：在获取到对象模型基础上，设计加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环，然后设计速度控制器Cv(s)实现速度反馈闭环，最后设计位置控制器Cp(s)和位置闭环，这样就实现了传统的三环闭环控制；
步骤(4)：在加速环内添加被控对象的数学模型是控制稳定平台的测量对象模型，是真实对象模型Ga(s)的高精度逼近，把加速度控制器的输出同时分别输入给Ga(s)和加速度计输出还包含了外界扰动的影响，将两者的输出量做差，可观测出角加速度扰动量的估计量；
步骤(5)：设计复合型扰动观测器的外环前馈补偿控制器Cf2(s)，将中频段的外界扰动估计量反相前馈到驱动回路，抵消中频段外界扰动的影响；
步骤(6)：设计复合型扰动观测器的内环前馈补偿控制器Cf1(s)，将低频段的外界扰动估计量反相前馈到驱动回路，抵消低频段外界扰动的影响；
步骤(7)：在加速度、速度、位置三闭环的基础上，同时使用内外环扰动观测器，构成复合型扰动观测器，同时增强系统低频段和中频段的扰动抑制能力。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合型扰动观测器的扰动抑制方法，其特征在于：步骤(5)中外环前馈补偿控制器Cf2(s)设计如下：
其中，Kf为前馈控制器增益，Te为加速度对象模型中滞后因子，wf为二阶滤波器滤波带宽因子，ξf二阶滤波器滤波阻尼因子，当前馈补偿控制器设计为如上模型后，整个扰动观测补偿控制器呈现一个超前滞后校正特性，从而实现中频段的扰动抑制能力的提升。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合型扰动观测器的扰动抑制方法，其特征在于：步骤(6)中内环前馈补偿控制器Cf1(s)设计如下：
其中，是被控对象数学模型的逆，K为需要设定的参数，因为加速度计低频漂移的原因，K值不能取得太大，K的取值还与具体的加速度计性能有关，使用复合型扰动观测器的内环结构和内环前馈补偿控制器Cf1(s)之后，系统的扰动抑制能力的提升部分可以表达为Tdis，其中adis为外界加速度扰动量，可见系统低频段的扰动抑制能力得到了提升：
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于复合型扰动观测器的扰动抑制方法，其特征在于：同时使用内环前馈补偿控制器Cf1(s)和外环前馈补偿控制器Cf2(s)，组成复合型扰动观测器结构，由外环扰动观测器提升系统中频段的扰动抑制能力，内环扰动观测器提升系统低频段的扰动抑制能力，最终达到同时提升系统低频段和中频段扰动抑制能力的目的。
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