一种基于扩张状态观测器的光电跟踪系统控制方法与流程

本发明属于光电系统跟踪控制领域，具体涉及一种基于扩张状态观测器的光电跟踪系统控制方法，将扩张状态观测器与pid控制器有效地结合，实现对未知不确定性部分的估计和补偿，减小跟踪误差，进一步提升运动平台光电跟踪设备的跟踪性能。

背景技术：

在光电跟踪系统中，当目标进入电视或红外视场中，目标相对于视场中心的偏差角度即为跟踪偏差量，以偏差量作为误差完成闭环可实现对目标的跟踪控制。控制系统中的负反馈对扰动有一定的抑制作用，但不能完全消除其影响，采用什么样的措施来有效的消除各种扰动的影响，始终是控制系统设计者们要考虑的重要课题。消除扰动影响，在控制工程历史上曾出现过两个原理：(1)40年代苏联学者提出的“绝对不变性原理”，也叫“双通道原理”，想要克服外扰影响，就要测量外扰，控制器必须同时含有反馈稳定的通道和抑制外扰的通道；(2)20世纪70年代加拿大学者提出的“内模原理”，若要求一个反馈控制系统具有良好的跟踪指令以及抵消扰动影响的能力，并且这种对误差调节过程是稳定的，则在反馈控制环路内部必须包含一个描述外部输入信号指令信号和扰动信号的动力学特性的数学模型，该数学模型就是所谓的内模。

由于实际的光电跟踪系统通常很难得到模型的准确描述，且上述两种方法对于随机性的未知扰动均无法抑制，所以在控制工程领域，经典pid控制作为应用最广的控制规律，基于误差消除误差是经典pid留给我们的宝贵思想，但仅利用传感器测得的误差信号实现pid控制并不容易满足高性能控制的需求，所以中科院韩京清研究员提出了一种非线性扩张状态观测器来从系统输出信息中提炼出系统内部未知不确定性和外部扰动的作用量，因为从完成控制的目的来看，如果某一种扰动作用不影响系统的被控输出，即这种扰动从被控输出不能观测或这种扰动不能控制被控输出，那么在控制被控输出的过程中是用不着考虑消除这种扰动的影响。需要消除的是能够影响被控输出的那种扰动，其作用就必然会反映在这个被控输出信息中，从而就可能以适当的方法处理被控输出信号来估计其作用，既然能估计出影响被控输出的扰动作用，就有可能用补偿的办法来消除其影响。在控制工程中常常采用“前馈补偿”的措施，这实际上是直接或间接测量扰动来进行“扰动补偿”的办法。

技术实现要素：

扩张状态观测器(eso)，用于解决主动抗扰技术中扰动观测这一核心问题，借用状态观测器的思想，将影响被控对象输出的扰动作用扩张成新的状态变量，用特殊的反馈机制来建立能够观测被扩张的状态，即扰动作用的扩张状态观测器。这个扩张状态观测器并不依赖生成扰动的具体数学模型，也不需要去测量就能对扰动进行观测，得到估计值。所以从某种意义上说，扩张状态观测器是通用而实用的扰动观测器。

若假设系统中含有非线性动态、模型不确定性以及外部扰动，则均可以用扩张状态观测器对其进行实时观测并加以补偿，将总扰动扩张成系统的一个新状态变量，然后利用系统的输入输出重构出包含系统原有状态变量与总扰动(扩张状态变量)的所有状态，实时跟踪估计扰动作用，从而用补偿的办法消除其影响，减小跟踪误差。

但由于非线性扩张状态观测器中参数较多，调节可能较为复杂，难以简单快速的实现控制目标，所以对其进行线性简化，将非线性扩张状态观测器中的非线性函数fal(e,α,δ)取为线性形式，比如fal(e,1.0,δ)＝e的形式，具体表达式见步骤(4)的具体实施，这样将扩张状态观测器线性化，并将其参数与观测器带宽相联系，保持较好性能的同时简化eso的设计和调参；再采用一个简单的pd控制组合，并将比例系数、微分时间常数与控制器带宽相联系，简化控制器的整定，提高控制品质。

为实现本发明的目的，本发明提供一种基于扩张状态观测器的光电系统跟踪控制方法，其具体实施步骤如下：

步骤(1)：在光电跟踪实验平台中安装ccd位置传感器，用于测量光电跟踪系统的角位置量。

步骤(2)：通过频率响应测试仪可对平台的位置频率对象特性进行测试，输入为被控对象输入值，输出为ccd传感器采样值，从而可获得被控对象传递模型g(s)。

步骤(3)：被控对象传递形式g(s)转化成状态方程，并选取状态变量，包括提取总扰动为扩张的状态变量。

步骤(4)：通过设计线性扩张状态观测器(eso)，利用系统的输入输出观测出系统原有状态和被扩张的状态变量。

步骤(5)：采用经典的pid组合来实施控制器的设计，添加扰动补偿回路，结合控制器输出和扰动估计值的补偿来最终决定被控系统控制量，实现系统闭环跟踪控制。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)相对传统的pid闭环控制方法，该发明有效地结合了扩张状态观测器，实现了利用系统的输入输出重构出包含系统原有状态变量与总扰动(扩张状态变量)的所有状态，实时跟踪估计扰动作用，从而用补偿的办法消除其影响，减小跟踪误差。

(2)该发明是从控制算法上对系统进行优化，无需再另加传感器，实现了无需速度测量的控制，保证了系统原有特性，并节约了成本。

(3)该发明思路清晰，结构简单，参数易调整，在工程上更易于实现，简化控制器的整定，提高控制品质。

附图说明

图1是本发明的控制结构框图；

图2是本发明的系统状态变量观测图；

图3是包含本发明的闭环跟踪结果和跟踪误差图；

图4是不包含本发明的闭环跟踪结果和跟踪误差图。

具体实施方式

以下结合附图和光电跟踪实验平台为例，对本发明的具体实施步骤和实施效果做详细说明：

如图1所示是本发明的控制结构框图，r是系统的给定输入，u是被控对象的输入，y是被控对象输出。

步骤(1)：在光电跟踪实验平台中安装ccd位置传感器，用于测量光电跟踪系统的角位置量。

步骤(2)：通过频率响应测试仪可对平台的位置频率对象特性进行测试，输入为被控对象输入值，输出为ccd传感器采样值，从而可获得被控对象为二阶系统。

步骤(3)：被控对象传递形式g(s)转化成状态方程，并选取状态变量，包括提取总扰动为扩张的状态变量。

二阶被控对象为：

选取x1,x2为系统状态变量，x1＝y，u,y是被控对象的输入与输出，w(t)为外扰作用，对象的状态方程表示为：

其中，f(x1,x2,w(t),t)为未知，bu为已知部分，将过程中的外扰作用的表现量f(x1,x2,w(t),t)当做一个新的未知的状态变量x3，加入原系统中，即在原系统状态的基础上扩张出一个新状态，则原对象可以表示为：

步骤(4)：通过设计线性扩张状态观测器(eso)，利用系统的输入输出观测出系统原有状态和被扩张的状态变量。

对上述步骤(3)的对象建立线性扩张状态观测器，形式如下：

其中，通过适当的选择参数βi＞0(i＝1,2,3)，则这个扩张状态观测器能较好的估计系统的状态变量x1,x2及被扩张的状态变量x3，即：

z1→x1,z2→x2,z3→x3

在b已知或者接近的情况下，且对象中的外扰作用的表现量f(x1,x2,w(t),t)是有界的，就能通过扩张状态观测器实现对被控对象的位置、速度和未知部分f(x1,x2,w(t),t)的观测，如图2所示。在实际工程控制中，可采用本观测器实现无需速度测量的控制，并实现对未知不确定性和外加干扰的估计。

上述线性扩张状态观测器的特征方程可以得到为：

s³+β1s²+β2s+β3

为了估计好未知不确定性和外加干扰等总和扰动，应该选取参数β1,β2,β3使上述特征方程稳定的比较理想，一般的，稳定的比较好且能给出较好过渡过程的特征方程形式为(s+ω)³，即极点都完全重合，于是把参数β1,β2,β3配置成：

β1＝3ω,β2＝3ω²,β3＝ω³

至于观测器带宽ω是根据系统带宽的要求确定或在线整定。

步骤(5)：采用经典的pid组合来实施控制器的设计，添加扰动补偿回路，结合控制器输出和扰动估计值的补偿来最终决定被控系统控制量，实现系统闭环跟踪控制。

如图1所示是本发明的控制结构框图，将扩张状态观测器线性化，并将其参数与观测器带宽相联系，简化eso的设计；原对象中扩张出的代表总扰动的状态变量x3被eso的输出的z3跟踪，通过对z3进行实时反馈补偿，结合控制器输出进而得到被控对象的最终控制量为：

再采用一个简单的pd控制组合，其控制器形式为：

u0＝kp(r-z1)-kdz2

其中，r是系统的给定输入，z1,z2为来自eso的观测状态输出，kp,kd分别为比例(p)与微分(d)的系数。这里需要注意的是，用-kdz2代替便面了对给定输入进行微分，也就避免了给定输入快速变化导致的系统振荡，设计控制器参数为：

kp＝ωc²,kd＝2ωc

其中，ωc为控制器带宽，这样pd控制器参数唯一与控制器带宽相联系，简化了控制器的整定设计。至此，整个控制系统需要整定的参数只有增益b、观测器带宽ω和控制器带宽ωc。

如图3、图4所示，依次为闭环系统有无扩张状态观测器的位置跟踪结果和跟踪误差图，可以很明显得看出，通过设计扩张状态观测器，并实现未知不确定性的估计和补偿，可以有效的减小跟踪误差，实现无需速度测量的控制，简化系统结构和设计并提高控制品质，进一步提升光电跟踪设备的跟踪性能。

以上结合附图和实例对本发明的具体实施方式、过程和效果做详细说明，但所述内容仅为本方法的一个实施例，不能只限定该方法的实施范围。