本發(fā)明涉及慣性穩(wěn)定控制領(lǐng)域，具體涉及一種運動平臺光電系統(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)：

運動載體上的光電系統(tǒng)視軸會受到載體擾動的影響，因此，必須建立穩(wěn)定控制分系統(tǒng)，隔離載體擾動，使系統(tǒng)視軸不受擾動的影響。目前常用的穩(wěn)定控制方法有兩類：一種是在機架上安裝慣性速率傳感器，機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單易實現(xiàn)，但是由于機架穩(wěn)定控制帶寬比較低，一般都在幾赫茲左右，機架穩(wěn)定只能對低頻擾動有效。另外一種是采用機架穩(wěn)定加視軸基準。由于采用了視軸基準，這種方法的好處是可以獲得很高的擾動抑制帶寬。但是添加視軸基準極大的增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，不易于工程實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種運動平臺光電系統(tǒng)高精度視軸穩(wěn)定控制方法，利用機架陀螺信號，解耦獲得高頻擾動信息，并用跟蹤鏡作為執(zhí)行機構(gòu)抑制高頻擾動，有效的擴展擾動抑制帶寬，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)問題的技術(shù)方案為：一種運動平臺光電系統(tǒng)高精度視軸穩(wěn)定控制方法，在機架的方位軸上安裝角速率陀螺A測試方位軸角速度，在機架俯仰軸上安裝角速率陀螺E測試俯仰軸角速度，機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；對陀螺A、陀螺E信號解耦，分解低頻目標跟蹤信息和高頻擾動角速率信息；將解耦得到陀螺A和陀螺E的擾動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，通過粗穩(wěn)定和精穩(wěn)定共同作用得到高精度的視軸穩(wěn)定，該方法的擾動抑制能力為：

$\frac{d\left(s\right)}{Y\left(s\right)}=\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{aux}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}-\frac{C_5\left(s\right)G_2\left(s\right)}{1+W_{aux}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}*G_{HF}\left(s\right)---\left(1\right)$

其中，

$G_1\left(s\right)=\frac{C_1\left(s\right)P_1\left(s\right)}{1+C_1\left(s\right)P_1\left(s\right)},$

$G_2\left(s\right)=\frac{C_4\left(s\right)P_2\left(s\right)}{1+C_4\left(s\right)P_2\left(s\right)},$

W_aux(s)＝C₃(s)*G₂(s)，

W_vel(s)＝C₁(s)P₁(s)；

d(s)：擾動；

Y(s)：視軸位置；

P₁(s)：機架速度回路特性；

C₁(s)：機架速度回路控制器；

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；

C_HF(s)：濾波器；

低頻段G_HF(s)≈0，因此低頻段擾動抑制能力為：

$\frac{d\left(s\right)}{Y\left(s\right)}=\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}\frac{1}{1+W_{aux}\left(s\right)}---\left(2\right)$

高頻段G_HF(s)≈1，因此高頻段擾動抑制能力為：

$\frac{d\left(s\right)}{Y\left(s\right)}=\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}\[\frac{1-C_5\left(s\right)G_2\left(s\right)}{1+W_{aux}\left(s\right)}\]---\left(3\right)$

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

更進一步的，對陀螺A和陀螺E跟蹤信息和擾動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)點是簡單明了，分解低頻目標信息和高頻擾動信息，同時也能濾掉陀螺漂移。

更進一步的，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前饋控制的被控對象，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擾動前饋的影響。

更進一步的，精穩(wěn)定回路不僅對外部擾動具有抑制作用，對內(nèi)部擾動，如摩擦等仍然具有抑制作用。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點有：

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

(2)本發(fā)明采用機架陀螺的高頻擾動信息前饋到跟蹤鏡，有效地擴展擾動抑制帶寬。

(3)本發(fā)明不僅提高系統(tǒng)對外部擾動的抑制能力，同時也能提高對內(nèi)部擾動的抑制能力。

附圖說明

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，7為方位軸；

圖2為本發(fā)明控制結(jié)構(gòu)圖；其中，機架速度回路被控對象記為P₁(s)；機架速度回路控制器記為C₁(s)；機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)；擾動解耦的高通濾波器記為G_HF(s)；解耦出來的剩余擾動量記為df；擾動前饋控制器記為C₅(s)；目標位置輸入記為R(s)；擾動記為d(s)；系統(tǒng)視軸輸出記為Y(s)。

圖3為對比有無精穩(wěn)定時系統(tǒng)擾動抑制仿真結(jié)果；

圖4為在8Hz外部擾動下，對比有無精穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定精度；其中，圖4(a)為沒有精穩(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外部擾動下，對比有無精穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定精度；其中，圖5(a)為沒有精穩(wěn)定的穩(wěn)定精度，圖5(b)為有精穩(wěn)定的穩(wěn)定精度。

具體實施方式

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

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

按照圖2所示建立控制系統(tǒng)：機架方位軸、俯仰軸分別用陀螺A、陀螺E反饋信號閉環(huán)形成粗穩(wěn)定回路；機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作擾動前饋控制的被控對象；跟蹤快反鏡跟蹤回路采用精電視脫靶量閉環(huán)；對陀螺A、陀螺E進行高通濾波，得到圖2所示的df就代表機架穩(wěn)定之后剩余的擾動量；將df積分并經(jīng)過前饋控制器C₅(s)計算出擾動前饋控制量，前饋到跟蹤鏡位置回路；設(shè)計控制器C₁(s)、C₂(s)、C₃(s)、C₄(s)為PI控制器，設(shè)計G_HF(s)為二階高通濾波器，帶寬4Hz，設(shè)計控制C₅(s)為1。

系統(tǒng)總的擾動抑制能力為：

$\frac{d\left(s\right)}{Y\left(s\right)}=\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{aux}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}-\frac{C_5\left(s\right)G_2\left(s\right)}{1+W_{aux}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}*G_{HF}\left(s\right)$

其中，

$G_1\left(s\right)=\frac{C_1\left(s\right)P_1\left(s\right)}{1+C_1\left(s\right)P_1\left(s\right)},$

$G_2\left(s\right)=\frac{C_4\left(s\right)P_2\left(s\right)}{1+C_4\left(s\right)P_2\left(s\right)},$

W_aux(s)＝C₃(s)*G₂(s)，

W_vel(s)＝C₁(s)P₁(s)；

d(s)：擾動；

Y(s)：視軸位置；

P₁(s)：機架速度回路特性；

C₁(s)：機架速度回路控制器；

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；

C_HF(s)：濾波器。

低頻段G_HF(s)≈0，因此低頻段擾動抑制能力為：

$\frac{d\left(s\right)}{Y\left(s\right)}=\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}\frac{1}{1+W_{aux}\left(s\right)}$

高頻段G_HF(s)≈1，因此高頻段擾動抑制能力為：

$\frac{d\left(s\right)}{Y\left(s\right)}=\frac{1}{1+W_{main}\left(s\right)}*\frac{1}{1+W_{vel}\left(s\right)}\[\frac{1-C_5\left(s\right)G_2\left(s\right)}{1+W_{aux}\left(s\right)}\]$

實施實例：

某一個實際的系統(tǒng)，跟蹤快反鏡位置特性，即圖2中的P₂(s)為：

$P_2\left(s\right)=K*\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}\mathrm{\ω}s+{\mathrm{\ω}}^2}*\frac{1}{1/2\mathrm{\π}/{\mathrm{\ω}}_{1}s+1}*\frac{1}{1/2\mathrm{\π}/{\mathrm{\ω}}_{2}s+1}$

其中：K＝1.4,ω＝2π*163,ξ＝0.1,ω₁＝350,ω₂＝600

設(shè)計跟蹤鏡位置回路閉環(huán)控制器C₄(s)為：

$C_4\left(s\right)=\frac{3.5356*(s+2199)(s^2+204.8s+1.049*{10}^6)}{s(s+4469)(s+4345)}$

設(shè)計高通濾波器G_HF(s)：

$G_{HF}\left(s\right)=\frac{1}{s^2+32.7s+630.2}$

設(shè)計前饋控制器C₅(s)＝1。

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

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

本發(fā)明未詳細闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。