一种基于加速度测量的低频段扰动抑制方法与流程

本发明属于稳定控制领域，具体涉及一种基于加速度测量的低频段扰动抑制方法，主要用于隔离基座扰动，提升运动平台稳定设备的稳定精度。

背景技术：

在控制系统中，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，轮船上的稳定控制设备，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，传统的控制系统稳定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《memsinertialsensors-basedmulti-loopcontrolenhancedbydisturbanceobservationandcompensationforfaststeeringmirrorsystem》(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mems加速度计在低频段的低信噪比，会产生大量的噪声和漂移。传统扰动观测器的前馈补偿控制器在把扰动量前馈到驱动回路的过程中，会因为大量的漂移导致积分饱和，使得驱动机构运动到极限位置，造成系统失去稳定。为了避免积分饱和，其完全牺牲了低频段的扰动抑制能力的提升，只能提升系统中频段的扰动抑制能力。然而实际稳定系统中，外界扰动除了分布在中频段，低频段仍然存在大量的扰动，甚至影响会更大一些。为了克服mems加速度计低频段发生漂移带来的影响，进一步提升系统的低频扰动抑制能力，需要一种新的解决方案。

技术实现要素：

针对控制系统的低频段扰动抑制能力不足，无法满足更高精度的稳定要求的问题，本发明提出了一种能有效提升系统低频段扰动抑制能力的控制方案。该发明在加速度、速度、位置三闭环的基础上，利用改进型扰动观测器控制结构和与之对应的专用前馈补偿控制器，有效提升了系统的漂移抑制能力，使得大量mems加速度计的漂移量被抑制。在漂移量被大量消除的基础上，积分饱和被有效避免，能将低频段的扰动量反相前馈到驱动回路抵消外界扰动，有效提升系统低频段的扰动抑制能力。

为实现本发明的目的，本发明提供一种基于加速度测量的低频段扰动抑制方法，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)：设计改进型扰动观测器的专用前馈补偿控制器cf(s)。控制器cf(s)设计的一大目标是提升系统的漂移抑制能力，对加速度计在低频段由于低信噪比产生的漂移量进行抑制，削弱控制器前馈扰动量时积分饱和发生的可能。漂移量被抑制后，采用同样结构的控制器cf(s)，可以将低频段的扰动量反相前馈到驱动回路抵消外界扰动，有效提升系统低频段的扰动抑制能力：

其中，是被控对象数学模型的逆，k为需要设定的参数。使用改进型扰动观测器的结构和专用前馈补偿控制器cf(s)之后，加速度传感器漂移的整体抑制能力可以表达为tdrift，其中adrift为加速度传感器的漂移量；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：

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)相对三闭环控制方法，以及三闭环中加入传统扰动观测器的控制方法，发明成功克服了使用环境下低频段扰动抑制能力不能提升的问题，极大的提升了系统的稳定精度。

(2)本发明从消除传感器漂移量的影响入手，从控制方法上抑制了漂移，不需要额外配置传感器，节约了成本，具有很好的实用性，易于工程实现。

(3)该发明同样适用于由于低信噪比存在大量漂移的传感器，用于抑制传感器漂移量的影响。

附图说明

图1是本发明的一种基于加速度测量的低频段扰动抑制方法的控制框图；

图2是本发明的一种基于加速度测量的低频段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以及传统扰动观测器方法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所示是一种基于加速度测量的低频段扰动抑制方法的控制框图，其中包括改进型扰动观测补偿控制器内回路、加速度回路、速度回路和位置回路；利用改进型扰动观测补偿控制器方法和传统的三闭环方法相结合，进一步消除漂移量的影响，在削弱积分饱和发生的前提下，将低频段的加速度扰动量反相前馈，主动抵消外界扰动的影响，从而提高系统低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)：设计改进型扰动观测器的专用前馈补偿控制器cf(s)。控制器cf(s)设计的一大目标是提升系统的漂移抑制能力，对加速度计在低频段由于低信噪比产生的漂移量进行抑制，削弱控制器前馈扰动量时积分饱和发生的可能。漂移量被抑制后，采用同样结构的控制器cf(s)，可以将低频段的扰动量反相前馈到驱动回路抵消外界扰动，有效提升系统低频段的扰动抑制能力：

其中，是被控对象数学模型的逆，k为需要设定的参数。使用改进型扰动观测器的结构和专用前馈补偿控制器cf(s)之后，加速度传感器漂移的整体抑制能力可以表达为tdrift，其中adrift为加速度传感器的漂移量；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：

下面以一控制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、位置控制器分别为：

(3)当实现三环闭环控制后，设计扰动观测补偿控制器为：

(4)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改进型扰动观测器方法，可以发现采用本发明提出的改进型扰动观测器方法后，系统的残差有了非常明显的下降。

(5)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，可以明确看出改进型的扰动观测器可以有力地提高系统低频段的扰动抑制能力，非常适合大量扰动都在低频段的真实环境。