一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估方法，針對(duì)傳統(tǒng)滯后預(yù)估方法對(duì)參數(shù)變化和外部擾動(dòng)非常敏感，導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能下降，該方法設(shè)計(jì)了一個(gè)高帶寬的內(nèi)回路，將被控對(duì)象快反鏡和外部擾動(dòng)包圍在內(nèi)回路中，內(nèi)回路的閉環(huán)帶寬保證在外回路采樣頻率的一半以上，對(duì)于外回路而言，被控對(duì)象近似為一個(gè)比例環(huán)節(jié)。此時(shí)參數(shù)變化和外部擾動(dòng)由高帶寬的內(nèi)回路去抑制，然后針對(duì)校正后的被控對(duì)象設(shè)計(jì)Smith預(yù)估器，能夠取得良好的滯后補(bǔ)償效果，并且減少了預(yù)估器對(duì)參數(shù)變化和外部擾動(dòng)的敏感程度。
【專利說明】
一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于過程控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代過程控制過程中，往往存在由于容積或傳輸而導(dǎo)致的時(shí)延，從而導(dǎo)致系統(tǒng) 的魯棒性、穩(wěn)定性降低，甚至引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在以快反鏡為控制對(duì)象的控制系統(tǒng)中，由 于電視傳感器存在幾幀的滯后，并且采樣頻率較低，相對(duì)滯后時(shí)間較大，導(dǎo)致了系統(tǒng)控制性 能下降，控制帶寬減小。
[0003] 為了解決滯后給控制帶來的不利影響，國內(nèi)外提出了多種補(bǔ)償時(shí)滯的控制方法， 其中J.M.Smith( 1958)提出了一種預(yù)估器，能夠有效消除回路中時(shí)滯環(huán)節(jié)的影響。但是 Smith預(yù)估器需要確定被控對(duì)象的精確模型，當(dāng)預(yù)估模型與實(shí)際真實(shí)對(duì)象的模型不匹配時(shí)， 控制效果變差，而且在控制過程中，往往存在參數(shù)變化和外部擾動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致預(yù)估器的性能 下降，影響快反鏡的控制帶寬。因此，僅僅采用標(biāo)準(zhǔn)的Smith預(yù)估器不能滿足實(shí)際要求，需要 考慮改進(jìn)方法。與其他工業(yè)控制對(duì)象相比，快反鏡的對(duì)象特性比較容易獲取，可以采用高采 樣頻率的傳感器構(gòu)建一個(gè)內(nèi)回路。內(nèi)回路閉環(huán)后，被控對(duì)象在低頻部分可以近似為一個(gè)比 例環(huán)節(jié)，同時(shí)內(nèi)回路也可以抑制參數(shù)變化和外部擾動(dòng)帶來的影響。本發(fā)明從控制角度出發(fā)， 通過設(shè)計(jì)高帶寬的內(nèi)回路來抑制模型不匹配、參數(shù)變化和外部擾動(dòng)帶來的影響，能夠使 Smith預(yù)估器發(fā)揮良好的滯后補(bǔ)償作用，從而提高快反鏡的控制帶寬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于:針對(duì)傳統(tǒng)滯后預(yù)估方法對(duì)參數(shù)變化和外部擾動(dòng)非常敏感，導(dǎo) 致控制系統(tǒng)性能下降，本文從控制角度出發(fā)，提出了一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估 方法。設(shè)計(jì)一個(gè)高帶寬的內(nèi)回路，將被控對(duì)象快反鏡和外部擾動(dòng)包圍在內(nèi)回路中，此時(shí)參數(shù) 變化和外部擾動(dòng)由高帶寬的內(nèi)回路去抑制，相對(duì)外回路來說，被控對(duì)象近似為一個(gè)比例環(huán) 節(jié)，然后針對(duì)校正后的被控對(duì)象設(shè)計(jì)Smith預(yù)估器，此預(yù)估器能夠取得良好的滯后補(bǔ)償效 果，降低對(duì)參數(shù)變化和外部擾動(dòng)的敏感程度。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估方法，其具體步 驟如下：
[0006] 步驟（1):以高采樣頻率的傳感器建立高帶寬的內(nèi)回路，獲得快反鏡的頻率特性， 并基于此設(shè)計(jì)相應(yīng)的校正網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)回路的閉環(huán)帶寬保證在外回路采樣頻率的一半以上。
[0007] 步驟(2):實(shí)現(xiàn)高帶寬的內(nèi)回路后，能夠抑制被控對(duì)象低頻的非線性環(huán)節(jié)和外部的 擾動(dòng)，因此內(nèi)回路閉環(huán)后，被控對(duì)象在低頻部分近似為一個(gè)比例環(huán)節(jié)。通過頻率測試方法測 試外回路傳感器的滯后情況，得到滯后的時(shí)間常數(shù)。
[0008] 步驟(3):設(shè)計(jì)Smith預(yù)估器，采用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)估器設(shè)計(jì)方式，反饋回一個(gè)模擬對(duì)象輸出 以消去真實(shí)對(duì)象輸出，然后加入一個(gè)不含時(shí)滯的模擬對(duì)象輸出。
[0009] 步驟(4):將預(yù)估器引入到控制回路，并重新設(shè)計(jì)外回路的控制器，達(dá)到補(bǔ)償系統(tǒng) 滯后的效果，同時(shí)抑制參數(shù)變化和擾動(dòng)對(duì)Smith預(yù)估器的影響。
[0010] 其中，步驟（1)中高采樣頻率的傳感器可以是速度傳感器，如陀螺;也可以是位置 傳感器，如圓光柵、電渦流。
[0011] 其中，步驟（1)中被控對(duì)象的特性可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲取，也可以通過頻率特性測試方 法獲取。
[0012] 其中，步驟(2)中閉環(huán)后的被控對(duì)象可以近似為其他典型環(huán)節(jié)，如慣性環(huán)節(jié)。
[0013] 其中，步驟(3)中Smith預(yù)估器的設(shè)計(jì)主要基于對(duì)象的特性和系統(tǒng)的時(shí)滯，內(nèi)回路 閉環(huán)后，被控對(duì)象可以是一個(gè)比例代替，時(shí)滯參數(shù)由步驟(2)獲得。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0015] (1)同傳統(tǒng)的Smith預(yù)估控制技術(shù)相比，本發(fā)明方法能夠抑制參數(shù)變化和外部擾動(dòng) 對(duì)系統(tǒng)的影響；
[0016] (2)相對(duì)于改進(jìn)后的Smi th預(yù)估控制技術(shù)，本發(fā)明方法有更好的抑制能力，適應(yīng)性 更強(qiáng)；
[0017] ⑶相對(duì)自適應(yīng)控制和智能控制技術(shù)來說，本發(fā)明方法結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用性更強(qiáng)。
【附圖說明】
[0018]圖1為內(nèi)回路設(shè)計(jì)不意圖；
[0019] 圖2為內(nèi)回路閉環(huán)校正特性；
[0020] 圖3為Smith預(yù)估原理圖；
[0021]圖4為引入Smith預(yù)估后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；
[0022] 圖5為帶預(yù)估器控制系統(tǒng)的開環(huán)特性；
[0023] 圖6為帶預(yù)估器控制系統(tǒng)的閉環(huán)特性。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0025] 本發(fā)明一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估方法，具體步驟如下：
[0026] 步驟(1):如圖1所示，針對(duì)被控對(duì)象設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)回路作為內(nèi)回路，根據(jù)獲得的被 控對(duì)象快反鏡的頻率特性設(shè)計(jì)相應(yīng)的校正網(wǎng)絡(luò)，外回路的電視傳感器采樣頻率較低，也是 系統(tǒng)滯后的主要來源，相比外回路傳感器，內(nèi)回路采用的傳感器采樣頻率高，形成的滯后相 比較小，同時(shí)也能起到抑制擾動(dòng)的作用。其中，內(nèi)回路包括：內(nèi)回路增益、被控對(duì)象、內(nèi)回路 滯后單元、內(nèi)回路控制器，外回路包括：外回路增益、外回路控制器、內(nèi)回路、外回路滯后單 元。擾動(dòng)信號(hào)加在內(nèi)回路中。
[0027] 步驟(2):內(nèi)回路閉環(huán)后，在外回路采樣頻率范圍內(nèi)，被控對(duì)象近似為一個(gè)比例環(huán) 節(jié)，如圖2所示。通過頻率測試方法測試外回路傳感器的滯后情況，得到滯后的時(shí)間常數(shù)。 [0028]步驟(3):設(shè)計(jì)Smith預(yù)估器，預(yù)估原理如圖3所示，得到的控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù) 為：
[0030] 其中，Y(s)表示輸出，R(s)表示輸入，Gc(s)為控制器，Go(S)為被控對(duì)象，G m(s)為預(yù) 估器模型，為滯后項(xiàng)，為預(yù)估滯后項(xiàng)。
[0031] 若構(gòu)建的模型為精確地，即Gm (s) = G。(s)、Tm = t，則
[0032]
[0033] 其中，Y(s)表示輸出，R(s)表示輸入，Gc(s)為控制器，G〇(s)為被控對(duì)象，eT TS為滯后 項(xiàng)。
[0034] 步驟(4):將設(shè)計(jì)的Smith預(yù)估器引入到系統(tǒng)中，如圖4所示，然后重新設(shè)計(jì)外回路 的校正器。
[0035] 設(shè)計(jì)了一個(gè)具體實(shí)例：構(gòu)建預(yù)估器Gm(s) = l，采樣頻率為50Hz，滯后為2幀，8卩\ = 0.04s。測試控制系統(tǒng)的特性，得到如下結(jié)果：
[0036] 圖5反映的是帶預(yù)估器控制系統(tǒng)的開環(huán)特性，與不帶預(yù)估器的控制系統(tǒng)相比，開環(huán) 剪切頻率從1.648Hz提高到2.568Hz。
[0037] 圖6反映的是帶預(yù)估器控制系統(tǒng)的閉環(huán)特性，與不帶預(yù)估器的控制系統(tǒng)相比，閉環(huán) 帶寬也從3.835Hz提高到6.129Hz (_3dB)，并且有效抑制了對(duì)象參數(shù)變化和擾動(dòng)對(duì)預(yù)估器的 影響。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估方法，其特征在于:其具體步驟如下： 步驟（1):以高采樣頻率的傳感器建立高帶寬的內(nèi)回路，獲得快反鏡的頻率特性，并基 于此設(shè)計(jì)相應(yīng)的校正網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)回路的閉環(huán)帶寬保證在外回路采樣頻率的一半以上； 步驟（2):實(shí)現(xiàn)高帶寬的內(nèi)回路后，能夠抑制被控對(duì)象低頻的非線性環(huán)節(jié)和外部的擾 動(dòng)，因此內(nèi)回路閉環(huán)后，被控對(duì)象在低頻部分近似為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，通過頻率測試方法測試 外回路傳感器的滯后情況，得到滯后的時(shí)間常數(shù)； 步驟(3):設(shè)計(jì)Smith預(yù)估器，采用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)估器設(shè)計(jì)方式，反饋回一個(gè)模擬對(duì)象輸出以消 去真實(shí)對(duì)象輸出，然后加入一個(gè)不含時(shí)滯的模擬對(duì)象輸出； 步驟(4):將預(yù)估器引入到控制回路，并重新設(shè)計(jì)外回路的控制器，達(dá)到補(bǔ)償系統(tǒng)滯后 的效果，同時(shí)抑制參數(shù)變化和擾動(dòng)對(duì)Smith預(yù)估器的影響。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估方法，其特征在于:步驟 (1)中高采樣頻率的傳感器可以是速度傳感器;也可以是位置傳感器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估方法，其特征在于:速度 傳感器選擇陀螺，位置傳感器選擇圓光柵或者電渦流。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估方法，其特征在于:步驟 (1) 中被控對(duì)象的特性可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲取，也可以通過頻率特性測試方法獲取。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估方法，其特征在于:步驟 (2) 中閉環(huán)后的被控對(duì)象可以近似為其他典型環(huán)節(jié)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估方法，其特征在于:其他 典型環(huán)節(jié)為慣性環(huán)節(jié)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高快反鏡控制帶寬的滯后預(yù)估方法，其特征在于:步驟 (3) 中Smith預(yù)估器的設(shè)計(jì)主要基于對(duì)象的特性和系統(tǒng)的時(shí)滯，內(nèi)回路閉環(huán)后，被控對(duì)象可 以是一個(gè)比例代替，時(shí)滯參數(shù)由步驟(2)獲得。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK106054603SQ201610378033
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】曹政, 鄧超, 張超, 譚毅, 毛耀
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所