一种改进的基于捷联式加速度测量的快反镜惯性稳定控制方法与流程

本发明属于光电惯性稳定控制领域，具体的涉及一种改进的基于捷联式加速度测量的快反镜惯性稳定控制方法，用于稳定光路，隔离基座扰动，进一步提升运动平台光电跟踪设备的跟踪性能。

背景技术：

在光电跟踪设备中，由于快反镜具有惯性小、带宽高的特性，已广泛用于实现精跟踪控制回路。运动平台光电跟踪设备受基座的扰动而导致跟踪精度大幅下降，因此必须采用相应措施来抑制基座扰动。利用快反镜实现光路的扰动抑制控制是已被证实的最有效的手段之一。例如在星地间光通信设备中，使用快反镜实现卫星的高带宽抖动抑制，提高通信链路的稳定性。传统的扰动抑制方法主要是基于陀螺和CCD传感器的双回路稳定控制。文献《Inertial sensor-based multi-loop control of fast steering mirror for line of sight stabilization》(Optical Engineering，Vol(55)，2016)利用加速度计、陀螺和CCD实现三环稳定，提高了快反镜稳定能力。但是，由于CCD的低采样率、大延时特性和惯性传感器陀螺、加速度计本身含有的采样噪声，当系统在受到外部不确定扰动时，其扰动抑制能力依旧存在不足。在控制思路上，如上两经典方法都只是建立在了反馈基础之上，而并未引入能有效提高系统型别，减小系统稳态误差的前馈控制思想。因此，急需进一步考虑能如何同时利用反馈和前馈相结合的控制思想，进一步提高快反镜基座扰动抑制能力，提升运动平台光电跟踪设备的跟踪性能。

技术实现要素：

针对当前快反镜稳定平台的扰动抑制能力不足，无法满足更高精度的稳定控制需求，本发明提出了一种改进的基于捷联式加速度测量的快反镜惯性稳定控制方法，本方法在传统的加速度、速度和位置三环闭环后，利用安装在基座上的扰动测量加速度计实现对扰动的直接测量，然后用测量的扰动加速度进行前馈补偿控制。扰动测量传感器则直接安装在快反镜基座上，用于直接敏感扰动，因此此传感器的选型不受任何限制，可选用精度高、带宽高的任何传感器，例如光纤陀螺、激光加速度计，而不受其体积和安装空间限制，并且所得到的基座扰动精度较高、滞后小。这里考虑到加速度计在高频时特性更好，本发明选用加速度计进行扰动测量。正是因为此种方法对于扰动是直接而不是间接测量，并且系统本身稳定闭环和扰动前馈是分开进行，从而把此种方式看作是基于捷联式的扰动抑制控制方法。但是，由于是直接扰动测量，在使用前馈时需要考虑快反镜平台的扰动传递特性，即基座扰动传递到快反镜镜面上的特性。通过频率测试仪可较简单的获得平台的扰动传递特性，然后用于设计前馈控制器，测量的扰动量直接经过前馈控制器进行前馈。通过反馈控制和前馈控制相结合的方式，进一步提高稳定平台稳定能力。在整个控制过程中，三闭环反馈控制使快反镜刚度提高，相当于提升了系统的机械特性；前馈控制则直接敏感基座扰动，然后进行补偿，旨在减少稳定误差。本方法前馈节点选在加速度环给定、速度控制器输出，这样是为了避免在前馈控制器中出现双重积分导致系统饱和。在此控制结构中，本方法巧妙的利用加速度控制器对被控对象中的二次微分进行部分补偿，这样可简化前馈补偿对象，从而简化前馈控制器设计，使整个控制回路更为简单，在工程上更易实现。

为实现本发明的目的，本发明提供一种改进的基于捷联式加速度测量的快反镜惯性稳定控制方法，其具体实施步骤如下：

步骤(1)：在快反镜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。在快反镜基座与两偏转轴同轴的轴线上安装扰动测量加速度计，用以直接敏感扰动量，其采样频率和内环采样频率保持一致。

步骤(2)：通过频率响应测试仪对平台的加速度频率对象特性进行测试，输入为控制器输出值，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G_a(s)，用于实现高带宽加速度环。

步骤(3)：在获取到被控对象模型G_a(s)基础上，设计加速度控制器C_a(s)实现加速度闭环，然后设计速度控制器C_v(s)实现速度反馈闭环，最后利用图像传感器CCD实现位置控制器C_p(s)和位置闭环，这样就实现了传统的三环闭环控制。

步骤(4)：通过频率测试仪获得平台的扰动传递特性G_d(s)，这需要把该平台安装在一个扰动测试台上，该平台可直接获取扰动参考量。在测试过程中稳定平台开环，直接驱动扰动测试台运动即可。特性的输入为扰动加速度量，输出为稳定平台受到的扰动加速度量，两者之比即是该平台的扰动传递特性G_d(s)。

步骤(5)：通过被控对象模型G_a(s)和平台的扰动传递特性G_d(s)设计前馈补偿控制器C_f(s)，把测量出的扰动量输入到前馈补偿控制器转换为补偿量，最后把前馈控制器输出与加速度给定量做相减运算，从而实现对扰动加速度的补偿，也就是扰动力矩的抵消。

其中，步骤(3)中考虑到加速度对象模型中的二次微分环节，为了避免加速度控制器中出现的二次积分而导致系统饱和，加速度控制器C_a(s)设计为滞后控制器，模型参考如下：

其中，K_a为控制器增益，T_e为加速度对象模型中滞后因子，T₁为滞后补偿因子。加速度闭环后，改善了被控对象特性，从而速度控制器C_v(s)和位置控制器C_p(s)可设计为PI控制器。

其中，步骤(4)中的扰动传递特性G_d(s)模型参考如下：

其中，Y₁、Y₂、Y₃、Z₁、Z₂、Z₃为二阶参数，T_m为对象模型中滞后因子，通过对测量数据的拟合可得到准确模型参数。

其中，步骤(5)中前馈补偿控制器C_f(s)设计为如下带低通滤波器的控制器模型：

其中，K_f为前馈控制器增益，T_f为低通滤波器滤波带宽因子，为快反镜自然频率，ξ为快反镜本身阻尼因子。当前馈补偿器设计为如上模型后，整个扰动观测补偿器呈现一个微分特性，把扰动加速度进行微分为加加速度，从而在本质上实现基于扰动抑制的加加速度前馈控制，有力的提高扰动抑制能力。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)相对传统的加速度、速度和位置三环闭环控制方法，本发明结合了前馈控制思想，采用直接扰动测量的方式，不是对扰动的估计，从而所获得的扰动数据精度更高、滞后更小，以此可提升前馈控制精度；

(2)相对于传统的前馈控制方法，本发明从控制算法上对系统进行优化，前馈节点选在加速度环给定、速度控制器输出，巧妙的利用加速度控制器对被控对象中的二次微分进行部分补偿，避免了在前馈控制器中出现双重积分导致系统饱和，保证了系统在低频的扰动前馈能力。

(3)在此控制结构中，本方法简化了前馈补偿对象，从而简化前馈控制器设计，使整个控制回路更为简单，在工程上更易实现。

附图说明

图1是本发明的控制框图。

图2是本发明的传感器安装示意图，其中，1为光源，2为CCD，3为镜面，4为稳定传感器，5为扰动测量传感器，6为基座，7为基座扰动。

图3是本发明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。

如附图1所示是本发明的控制框图，其中包括传统的三闭环控制，包括加速度回路、速度回路、CCD位置回路；然后是基于测量的扰动前馈回路，利用前馈控制器可直接把测量的扰动量转换为前馈量进行补偿，从而提高系统的扰动抑制能力。前馈节点选在加速度环给定、速度控制器输出，巧妙的利用加速度控制器对被控对象中的二次微分进行部分补偿，避免了在前馈控制器中出现双重积分导致系统饱和。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。在快反镜基座与两偏转轴同轴的轴线上安装扰动测量加速度计，用以直接敏感扰动量，其采样频率和内环采样频率保持一致。

步骤(2)：通过频率响应测试仪对平台的加速度频率对象特性进行测试，输入为控制器输出值，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G_a(s)，用于实现高带宽加速度环。

步骤(3)：在获取到被控对象模型G_a(s)基础上，设计加速度控制器C_a(s)实现加速度闭环，然后设计速度控制器C_v(s)实现速度反馈闭环，最后利用图像传感器CCD实现位置控制器C_p(s)和位置闭环，这样就实现了传统的三环闭环控制。考虑到加速度对象模型中的二次微分环节，为了避免加速度控制器中出现的二次积分而导致系统饱和，加速度控制器C_a(s)设计为滞后控制器，模型参考如下：

其中，K_a为控制器增益，T_e为加速度对象模型中滞后因子，T₁为滞后补偿因子。加速度闭环后，改善了被控对象特性，从而速度控制器C_v(s)和位置控制器C_p(s)可设计为PI控制器。

步骤(4)：通过频率测试仪获得平台的扰动传递特性G_d(s)，这需要把该平台安装在一个扰动测试台上，该平台可直接获取扰动参考量。在测试过程中稳定平台开环，直接驱动扰动测试台运动即可。特性的输入为扰动加速度量，输出为稳定平台受到的扰动加速度量，两者之比即是该平台的扰动传递特性G_d(s)，其模型参考如下：

其中，Y₁、Y₂、Y₃、Z₁、Z₂、Z₃为二阶参数，T_m为对象模型中滞后因子，通过对测量数据的拟合可得到准确模型参数。

步骤(5)：通过被控对象模型G_a(s)和平台的扰动传递特性G_d(s)设计前馈补偿控制器C_f(s)，把测量出的扰动量输入到前馈补偿控制器转换为补偿量，最后把前馈控制器输出与加速度给定量做相减运算，从而实现对扰动加速度的补偿，也就是扰动力矩的抵消。前馈补偿控制器C_f(s)设计为如下带低通滤波器的控制器模型：

其中，K_f为前馈控制器增益，T_f为低通滤波器滤波带宽因子，为快反镜自然频率，ξ为快反镜本身阻尼因子。当前馈补偿器设计为如上模型后，整个扰动观测补偿器呈现一个微分特性，把扰动加速度进行微分为加加速度，从而在本质上实现基于扰动抑制的加加速度前馈控制，有力的提高扰动抑制能力。

如附图2所示是本发明的传感器安装示意图，其中主要包括七个部件：光源1、CCD 2、镜面3、稳定传感器4、扰动测量传感器5、基座6和基座扰动示意7。稳定传感器4包含三闭环所需的陀螺和加速度计，安装在稳定台面上；扰动测量传感器5则直接安装在基座6上来敏感基座扰动7。通过本发明的传感器安装方式和控制方法可实现光源1在CCD 2上的视轴稳定控制，从而提高系统的跟踪性能。

如图3是本发明与传统三闭环控制方法的整体抑制能力对比图。在相同扰动情况下，可以明确看出改进的基于捷联式加速度测量的快反镜扰动抑制控制方法可以有力地提高系统扰动抑制能力，使残差大幅下降，从而进一步提升运动平台光电跟踪设备的跟踪性能。