一種運動平臺光電系統高精度視軸穩定控制方法與流程
2023-06-10 21:12:16
本發明涉及慣性穩定控制領域，具體涉及一種運動平臺光電系統高精度穩定控制方法，主要用於抑制載體擾動和摩擦乾擾，獲得高精度的視軸穩定結果。
背景技術：
運動載體上的光電系統視軸會受到載體擾動的影響，因此，必須建立穩定控制分系統，隔離載體擾動，使系統視軸不受擾動的影響。目前常用的穩定控制方法有兩類：一種是在機架上安裝慣性速率傳感器，機架採用慣性速率反饋閉環，形成速度穩定迴路。這種方法的好處是簡單易實現，但是由於機架穩定控制帶寬比較低，一般都在幾赫茲左右，機架穩定只能對低頻擾動有效。另外一種是採用機架穩定加視軸基準。由於採用了視軸基準，這種方法的好處是可以獲得很高的擾動抑制帶寬。但是添加視軸基準極大的增加了系統的複雜度和成本，不易於工程實現。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題為：克服現有技術的不足，提出一種運動平臺光電系統高精度視軸穩定控制方法，利用機架陀螺信號，解耦獲得高頻擾動信息，並用跟蹤鏡作為執行機構抑制高頻擾動，有效的擴展擾動抑制帶寬，獲得高精度的視軸穩定結果。
本發明解決上述技術問題的技術方案為：一種運動平臺光電系統高精度視軸穩定控制方法，在機架的方位軸上安裝角速率陀螺A測試方位軸角速度，在機架俯仰軸上安裝角速率陀螺E測試俯仰軸角速度，機架方位軸和俯仰軸分別採用A、E陀螺反饋閉環，構成粗穩定迴路，主要抑制低頻大幅度擾動；對陀螺A、陀螺E信號解耦，分解低頻目標跟蹤信息和高頻擾動角速率信息；將解耦得到陀螺A和陀螺E的擾動角速率積分並前饋控制到跟蹤鏡的迴路，構成精穩定迴路，主要抑制中高頻擾動，通過粗穩定和精穩定共同作用得到高精度的視軸穩定，該方法的擾動抑制能力為：
其中，
Waux(s)＝C3(s)*G2(s)，
Wvel(s)＝C1(s)P1(s)；
d(s)：擾動；
Y(s)：視軸位置；
P1(s)：機架速度迴路特性；
C1(s)：機架速度迴路控制器；
C2(s)：粗跟蹤迴路控制器；
P2(s)：快反鏡特性；
C3(s)：精跟蹤迴路控制器；
C4(s)：快反鏡位置迴路控制器；
C5(s)：精穩定控制器；
CHF(s)：濾波器；
低頻段GHF(s)≈0，因此低頻段擾動抑制能力為：
高頻段GHF(s)≈1，因此高頻段擾動抑制能力為：
<![CDATA[ d ( s ) Y ( s ) = 1 1 + W m a i n ( s ) * 1 1 + W v e l ( s ) 1 - C 5 ( s ) G 2 ( s ) 1 + W a u x ( s ) - - - ( 3 ) ]]>
公式(1)和公式(3)顯示，在低頻段，系統擾動抑制能力等於常規控制方法的能力；在高頻段，系統擾動能力等於常規擾動抑制加精穩定擾動抑制能力。
更進一步的，對陀螺A和陀螺E跟蹤信息和擾動信息的解耦方法採用高通濾波解耦但不限於高通濾波解耦，採用高通濾波方法解耦的優點是簡單明了，分解低頻目標信息和高頻擾動信息，同時也能濾掉陀螺漂移。
更進一步的，跟蹤快反鏡採用位置傳感器反饋閉環，將閉環後的整體作為高頻擾動前饋控制的被控對象，位置迴路的帶寬一般比較高，閉環傳遞函數為高帶寬位置內迴路的目的減小快反鏡特性變化對擾動前饋的影響。
更進一步的，精穩定迴路不僅對外部擾動具有抑制作用，對內部擾動，如摩擦等仍然具有抑制作用。
本發明相對於現有技術的優點有：
(1)本發明不需要增加額外的硬體，且控制算法簡單，穩定可靠，工程實現容易。
(2)本發明採用機架陀螺的高頻擾動信息前饋到跟蹤鏡，有效地擴展擾動抑制帶寬。
(3)本發明不僅提高系統對外部擾動的抑制能力，同時也能提高對內部擾動的抑制能力。
附圖說明
圖1為本發明系統結構示意圖，其中，1為跟蹤機架，2為俯仰軸，3為跟蹤快反鏡，4為陀螺A，5為陀螺E，6為精探測，7為方位軸；
圖2為本發明控制結構圖；其中，機架速度迴路被控對象記為P1(s)；機架速度迴路控制器記為C1(s)；機架跟蹤迴路控制器記為C2(s)；跟蹤快反鏡位置迴路特性記為P2(s)；跟蹤鏡位置迴路控制器記為C4(s)；跟蹤鏡跟蹤迴路控制器記為C3(s)；擾動解耦的高通濾波器記為GHF(s)；解耦出來的剩餘擾動量記為df；擾動前饋控制器記為C5(s)；目標位置輸入記為R(s)；擾動記為d(s)；系統視軸輸出記為Y(s)。
圖3為對比有無精穩定時系統擾動抑制仿真結果；
圖4為在8Hz外部擾動下，對比有無精穩定系統穩定精度；其中，圖4(a)為沒有精穩定的穩定精度，圖4(b)為有精穩定的穩定精度。
圖5為在13Hz外部擾動下，對比有無精穩定系統穩定精度；其中，圖5(a)為沒有精穩定的穩定精度，圖5(b)為有精穩定的穩定精度。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式說明本發明，本領域的技術人員可根據本說明書揭示的內容了解本發明的功效及優點。
如圖1所示，在機架方位軸上安裝有角速率陀螺A，陀螺A敏感軸和機架方位軸平行；在機架俯仰軸上安裝有角速率陀螺E，陀螺E敏感軸和機架俯仰軸平行。
按照圖2所示建立控制系統：機架方位軸、俯仰軸分別用陀螺A、陀螺E反饋信號閉環形成粗穩定迴路；機架跟蹤迴路採用粗電視脫靶量閉環；跟蹤快反鏡採用位置傳感器反饋閉環，形成高帶寬位置內迴路，將位置迴路整體特性當作擾動前饋控制的被控對象；跟蹤快反鏡跟蹤迴路採用精電視脫靶量閉環；對陀螺A、陀螺E進行高通濾波，得到圖2所示的df就代表機架穩定之後剩餘的擾動量；將df積分並經過前饋控制器C5(s)計算出擾動前饋控制量，前饋到跟蹤鏡位置迴路；設計控制器C1(s)、C2(s)、C3(s)、C4(s)為PI控制器，設計GHF(s)為二階高通濾波器，帶寬4Hz，設計控制C5(s)為1。
系統總的擾動抑制能力為：
其中，
Waux(s)＝C3(s)*G2(s)，
Wvel(s)＝C1(s)P1(s)；
d(s)：擾動；
Y(s)：視軸位置；
P1(s)：機架速度迴路特性；
C1(s)：機架速度迴路控制器；
C2(s)：粗跟蹤迴路控制器；
P2(s)：快反鏡特性；
C3(s)：精跟蹤迴路控制器；
C4(s)：快反鏡位置迴路控制器；
C5(s)：精穩定控制器；
CHF(s)：濾波器。
低頻段GHF(s)≈0，因此低頻段擾動抑制能力為：
高頻段GHF(s)≈1，因此高頻段擾動抑制能力為：
<![CDATA[ d ( s ) Y ( s ) = 1 1 + W m a i n ( s ) * 1 1 + W v e l ( s ) 1 - C 5 ( s ) G 2 ( s ) 1 + W a u x ( s ) ]]>
實施實例：
某一個實際的系統，跟蹤快反鏡位置特性，即圖2中的P2(s)為：
其中：K＝1.4,ω＝2π*163,ξ＝0.1,ω1＝350,ω2＝600
設計跟蹤鏡位置迴路閉環控制器C4(s)為：
設計高通濾波器GHF(s)：
設計前饋控制器C5(s)＝1。
圖3所示為對比有無精穩定時系統擾動抑制能力仿真結果。從圖3可以看出，添加精穩定之後，提高了系統在中高頻段的擾動抑制能力。
圖4所示為在8Hz外部擾動下，對比有無精穩定系統穩定精度。通過對比有無精穩定系統的脫靶量，計算出精穩定在8Hz的擾動抑制比為：X軸：-31.56dB，Y軸：-30.29dB。即：添加精穩定之後，將系統在8Hz處的擾動抑制能力提高了30dB左右。圖5所示為在13Hz外部擾動下，對比有無精穩定系統穩定精度。通過有無精穩定系統的脫靶量，計算出精穩定在13Hz的擾動抑制比為：X軸：-21.07dB，Y軸：-19.6dB。
本發明未詳細闡述的部分屬於本領域公知技術。