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      一種運(yùn)動(dòng)平臺(tái)光電系統(tǒng)高精度視軸穩(wěn)定控制方法與流程

      文檔序號(hào):11826824閱讀:990來(lái)源:國(guó)知局
      一種運(yùn)動(dòng)平臺(tái)光電系統(tǒng)高精度視軸穩(wěn)定控制方法與流程

      本發(fā)明涉及慣性穩(wěn)定控制領(lǐng)域,具體涉及一種運(yùn)動(dòng)平臺(tái)光電系統(tǒng)高精度穩(wěn)定控制方法,主要用于抑制載體擾動(dòng)和摩擦干擾,獲得高精度的視軸穩(wěn)定結(jié)果。



      背景技術(shù):

      運(yùn)動(dòng)載體上的光電系統(tǒng)視軸會(huì)受到載體擾動(dòng)的影響,因此,必須建立穩(wěn)定控制分系統(tǒng),隔離載體擾動(dòng),使系統(tǒng)視軸不受擾動(dòng)的影響。目前常用的穩(wěn)定控制方法有兩類:一種是在機(jī)架上安裝慣性速率傳感器,機(jī)架采用慣性速率反饋閉環(huán),形成速度穩(wěn)定回路。這種方法的好處是簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn),但是由于機(jī)架穩(wěn)定控制帶寬比較低,一般都在幾赫茲左右,機(jī)架穩(wěn)定只能對(duì)低頻擾動(dòng)有效。另外一種是采用機(jī)架穩(wěn)定加視軸基準(zhǔn)。由于采用了視軸基準(zhǔn),這種方法的好處是可以獲得很高的擾動(dòng)抑制帶寬。但是添加視軸基準(zhǔn)極大的增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本,不易于工程實(shí)現(xiàn)。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出一種運(yùn)動(dòng)平臺(tái)光電系統(tǒng)高精度視軸穩(wěn)定控制方法,利用機(jī)架陀螺信號(hào),解耦獲得高頻擾動(dòng)信息,并用跟蹤鏡作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)抑制高頻擾動(dòng),有效的擴(kuò)展擾動(dòng)抑制帶寬,獲得高精度的視軸穩(wěn)定結(jié)果。

      本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案為:一種運(yùn)動(dòng)平臺(tái)光電系統(tǒng)高精度視軸穩(wěn)定控制方法,在機(jī)架的方位軸上安裝角速率陀螺A測(cè)試方位軸角速度,在機(jī)架俯仰軸上安裝角速率陀螺E測(cè)試俯仰軸角速度,機(jī)架方位軸和俯仰軸分別采用A、E陀螺反饋閉環(huán),構(gòu)成粗穩(wěn)定回路,主要抑制低頻大幅度擾動(dòng);對(duì)陀螺A、陀螺E信號(hào)解耦,分解低頻目標(biāo)跟蹤信息和高頻擾動(dòng)角速率信息;將解耦得到陀螺A和陀螺E的擾動(dòng)角速率積分并前饋控制到跟蹤鏡的回路,構(gòu)成精穩(wěn)定回路,主要抑制中高頻擾動(dòng),通過(guò)粗穩(wěn)定和精穩(wěn)定共同作用得到高精度的視軸穩(wěn)定,該方法的擾動(dòng)抑制能力為:

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      其中,

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      Waux(s)=C3(s)*G2(s),

      Wvel(s)=C1(s)P1(s);

      d(s):擾動(dòng);

      Y(s):視軸位置;

      P1(s):機(jī)架速度回路特性;

      C1(s):機(jī)架速度回路控制器;

      C2(s):粗跟蹤回路控制器;

      P2(s):快反鏡特性;

      C3(s):精跟蹤回路控制器;

      C4(s):快反鏡位置回路控制器;

      C5(s):精穩(wěn)定控制器;

      CHF(s):濾波器;

      低頻段GHF(s)≈0,因此低頻段擾動(dòng)抑制能力為:

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      高頻段GHF(s)≈1,因此高頻段擾動(dòng)抑制能力為:

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      公式(1)和公式(3)顯示,在低頻段,系統(tǒng)擾動(dòng)抑制能力等于常規(guī)控制方法的能力;在高頻段,系統(tǒng)擾動(dòng)能力等于常規(guī)擾動(dòng)抑制加精穩(wěn)定擾動(dòng)抑制能力。

      更進(jìn)一步的,對(duì)陀螺A和陀螺E跟蹤信息和擾動(dòng)信息的解耦方法采用高通濾波解耦但不限于高通濾波解耦,采用高通濾波方法解耦的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單明了,分解低頻目標(biāo)信息和高頻擾動(dòng)信息,同時(shí)也能濾掉陀螺漂移。

      更進(jìn)一步的,跟蹤快反鏡采用位置傳感器反饋閉環(huán),將閉環(huán)后的整體作為高頻擾動(dòng)前饋控制的被控對(duì)象,位置回路的帶寬一般比較高,閉環(huán)傳遞函數(shù)為高帶寬位置內(nèi)回路的目的減小快反鏡特性變化對(duì)擾動(dòng)前饋的影響。

      更進(jìn)一步的,精穩(wěn)定回路不僅對(duì)外部擾動(dòng)具有抑制作用,對(duì)內(nèi)部擾動(dòng),如摩擦等仍然具有抑制作用。

      本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有:

      (1)本發(fā)明不需要增加額外的硬件,且控制算法簡(jiǎn)單,穩(wěn)定可靠,工程實(shí)現(xiàn)容易。

      (2)本發(fā)明采用機(jī)架陀螺的高頻擾動(dòng)信息前饋到跟蹤鏡,有效地?cái)U(kuò)展擾動(dòng)抑制帶寬。

      (3)本發(fā)明不僅提高系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)的抑制能力,同時(shí)也能提高對(duì)內(nèi)部擾動(dòng)的抑制能力。

      附圖說(shuō)明

      圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,其中,1為跟蹤機(jī)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(cè),7為方位軸;

      圖2為本發(fā)明控制結(jié)構(gòu)圖;其中,機(jī)架速度回路被控對(duì)象記為P1(s);機(jī)架速度回路控制器記為C1(s);機(jī)架跟蹤回路控制器記為C2(s);跟蹤快反鏡位置回路特性記為P2(s);跟蹤鏡位置回路控制器記為C4(s);跟蹤鏡跟蹤回路控制器記為C3(s);擾動(dòng)解耦的高通濾波器記為GHF(s);解耦出來(lái)的剩余擾動(dòng)量記為df;擾動(dòng)前饋控制器記為C5(s);目標(biāo)位置輸入記為R(s);擾動(dòng)記為d(s);系統(tǒng)視軸輸出記為Y(s)。

      圖3為對(duì)比有無(wú)精穩(wěn)定時(shí)系統(tǒng)擾動(dòng)抑制仿真結(jié)果;

      圖4為在8Hz外部擾動(dòng)下,對(duì)比有無(wú)精穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定精度;其中,圖4(a)為沒(méi)有精穩(wěn)定的穩(wěn)定精度,圖4(b)為有精穩(wěn)定的穩(wěn)定精度。

      圖5為在13Hz外部擾動(dòng)下,對(duì)比有無(wú)精穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定精度;其中,圖5(a)為沒(méi)有精穩(wěn)定的穩(wěn)定精度,圖5(b)為有精穩(wěn)定的穩(wěn)定精度。

      具體實(shí)施方式

      以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式說(shuō)明本發(fā)明,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本說(shuō)明書揭示的內(nèi)容了解本發(fā)明的功效及優(yōu)點(diǎn)。

      如圖1所示,在機(jī)架方位軸上安裝有角速率陀螺A,陀螺A敏感軸和機(jī)架方位軸平行;在機(jī)架俯仰軸上安裝有角速率陀螺E,陀螺E敏感軸和機(jī)架俯仰軸平行。

      按照?qǐng)D2所示建立控制系統(tǒng):機(jī)架方位軸、俯仰軸分別用陀螺A、陀螺E反饋信號(hào)閉環(huán)形成粗穩(wěn)定回路;機(jī)架跟蹤回路采用粗電視脫靶量閉環(huán);跟蹤快反鏡采用位置傳感器反饋閉環(huán),形成高帶寬位置內(nèi)回路,將位置回路整體特性當(dāng)作擾動(dòng)前饋控制的被控對(duì)象;跟蹤快反鏡跟蹤回路采用精電視脫靶量閉環(huán);對(duì)陀螺A、陀螺E進(jìn)行高通濾波,得到圖2所示的df就代表機(jī)架穩(wěn)定之后剩余的擾動(dòng)量;將df積分并經(jīng)過(guò)前饋控制器C5(s)計(jì)算出擾動(dòng)前饋控制量,前饋到跟蹤鏡位置回路;設(shè)計(jì)控制器C1(s)、C2(s)、C3(s)、C4(s)為PI控制器,設(shè)計(jì)GHF(s)為二階高通濾波器,帶寬4Hz,設(shè)計(jì)控制C5(s)為1。

      系統(tǒng)總的擾動(dòng)抑制能力為:

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      其中,

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      Waux(s)=C3(s)*G2(s),

      Wvel(s)=C1(s)P1(s);

      d(s):擾動(dòng);

      Y(s):視軸位置;

      P1(s):機(jī)架速度回路特性;

      C1(s):機(jī)架速度回路控制器;

      C2(s):粗跟蹤回路控制器;

      P2(s):快反鏡特性;

      C3(s):精跟蹤回路控制器;

      C4(s):快反鏡位置回路控制器;

      C5(s):精穩(wěn)定控制器;

      CHF(s):濾波器。

      低頻段GHF(s)≈0,因此低頻段擾動(dòng)抑制能力為:

      <mrow> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>Y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>*</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>v</mi> <mi>e</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>u</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>

      高頻段GHF(s)≈1,因此高頻段擾動(dòng)抑制能力為:

      <mrow> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>Y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>*</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>v</mi> <mi>e</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>C</mi> <mn>5</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>G</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>u</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&rsqb;</mo> </mrow>

      實(shí)施實(shí)例:

      某一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng),跟蹤快反鏡位置特性,即圖2中的P2(s)為:

      <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>K</mi> <mo>*</mo> <mfrac> <msup> <mi>&omega;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <mi>&xi;</mi> <mi>&omega;</mi> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <msup> <mi>&omega;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>*</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>&omega;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>*</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>&omega;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> </mrow>

      其中:K=1.4,ω=2π*163,ξ=0.1,ω1=350,ω2=600

      設(shè)計(jì)跟蹤鏡位置回路閉環(huán)控制器C4(s)為:

      <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mn>4</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>3.5356</mn> <mo>*</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>2199</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>204.8</mn> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1.049</mn> <mo>*</mo> <msup> <mn>10</mn> <mn>6</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>4469</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>4345</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>

      設(shè)計(jì)高通濾波器GHF(s):

      <mrow> <msub> <mi>G</mi> <mrow> <mi>H</mi> <mi>F</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>32.7</mn> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>630.2</mn> </mrow> </mfrac> </mrow>

      設(shè)計(jì)前饋控制器C5(s)=1。

      圖3所示為對(duì)比有無(wú)精穩(wěn)定時(shí)系統(tǒng)擾動(dòng)抑制能力仿真結(jié)果。從圖3可以看出,添加精穩(wěn)定之后,提高了系統(tǒng)在中高頻段的擾動(dòng)抑制能力。

      圖4所示為在8Hz外部擾動(dòng)下,對(duì)比有無(wú)精穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定精度。通過(guò)對(duì)比有無(wú)精穩(wěn)定系統(tǒng)的脫靶量,計(jì)算出精穩(wěn)定在8Hz的擾動(dòng)抑制比為:X軸:-31.56dB,Y軸:-30.29dB。即:添加精穩(wěn)定之后,將系統(tǒng)在8Hz處的擾動(dòng)抑制能力提高了30dB左右。圖5所示為在13Hz外部擾動(dòng)下,對(duì)比有無(wú)精穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定精度。通過(guò)有無(wú)精穩(wěn)定系統(tǒng)的脫靶量,計(jì)算出精穩(wěn)定在13Hz的擾動(dòng)抑制比為:X軸:-21.07dB,Y軸:-19.6dB。

      本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。

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