本發(fā)明屬于光電系統(tǒng)跟蹤控制領(lǐng)域，具體的涉及一種插件式加速度反饋的快反鏡光束穩(wěn)定控制方法，用于簡化系統(tǒng)加速度控制設(shè)計，提升系統(tǒng)擾動抑制能力。

背景技術(shù)：

快反鏡作為光學(xué)精密跟蹤控制系統(tǒng)的核心部件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于長距離激光通信、自適應(yīng)光學(xué)、太空望遠鏡系統(tǒng)等前沿光學(xué)系統(tǒng)上。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，其逐漸被安裝在航天器、飛機、汽車等運動平臺上。運動平臺上基座的擾動會直接傳遞到快反鏡鏡面上，從而降低偏轉(zhuǎn)光束的穩(wěn)定跟蹤精度，極大的破化系統(tǒng)性能。運動載體上的擾動為寬頻段，傳統(tǒng)的控制方法主要是依靠陀螺和ccd傳感器進行快反鏡慣性穩(wěn)定，但其抗擾能力有限，無法滿足更高要求的穩(wěn)定控制要求。隨著加速度計的發(fā)展，其具有體積小、重量輕、功耗小的優(yōu)勢，使加速度計在快反鏡上的應(yīng)用成為可能。文獻《inertialsensor-basedmulti-loopcontroloffaststeeringmirrorforlineofsightstabilization》(opticalengineering，vol(55)，2016)利用加速度計、陀螺和ccd實現(xiàn)三環(huán)穩(wěn)定，提高了快反鏡穩(wěn)定能力。但是，這里由于快反鏡的加速度對象特性中存在兩次微分，對于加速度環(huán)中的控制器而言，要進行全補償無法實現(xiàn)，從而導(dǎo)致其加速度控制器在設(shè)計上有一定的困難，在工程上使用局限較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對當(dāng)前快反鏡擾動抑制控制方法存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種插件式加速度反饋的快反鏡光束穩(wěn)定控制方法，簡化控制框架和控制器設(shè)計，進一步提升系統(tǒng)性能。該方法的核心思想是在陀螺和ccd雙閉環(huán)實現(xiàn)后，把加速度傳感器用作對擾動的觀測補償，然后直接消除對基座擾動加速度的影響。由于加速度計具有體積小、帶寬高的天然優(yōu)勢，而擾動觀測思想方法本身對對象的辨識帶寬要求較高，因此這實現(xiàn)了傳感器和控制方法的優(yōu)勢疊加，效果較好。由于此方法在設(shè)計上與外環(huán)獨立，也就是內(nèi)加速度環(huán)的實現(xiàn)和外陀螺位置環(huán)互不影響，因此此方法可以作為插件在必要的時候直接接入系統(tǒng)而不會對系統(tǒng)特性造成損傷，從而被稱作插件式加速度反饋控制方法。在控制框架上，該方法需要的僅僅是加速度對象特性和一個近乎常數(shù)的加速度控制器，簡化了控制流程和控制器設(shè)計，避開了傳統(tǒng)加速度反饋方法的精確零極點補償，使該方法在工程實現(xiàn)上更具有優(yōu)勢。該方法依舊利用了反饋的思想，在理論上增強的系統(tǒng)的魯棒性。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種插件式加速度反饋的快反鏡光束穩(wěn)定控制方法，其具體實施步驟如下：

步驟(1)：在快反鏡跟蹤控制系統(tǒng)中安裝加速度計、陀螺慣性傳感器和ccd位置傳感器，用以測量快反鏡的偏轉(zhuǎn)角加速度、角速度和角位置量。慣性傳感器的采樣頻率一般較高，主要是用以實現(xiàn)一個高帶寬線性內(nèi)環(huán)，為外環(huán)提供一個線性被控對象；

步驟(2)：通過頻率響應(yīng)測試儀對平臺的加速度、速度頻率對象特性進行測試，輸入為控制器輸出值，輸出為傳感器采樣值，通過對所測得的對象進行辨識，最終獲得對象模型ga(s)和gv(s)；

步驟(3)：在獲取到被控對象模型gv(s)基礎(chǔ)上，設(shè)計內(nèi)環(huán)速度控制器cv(s)實現(xiàn)速度反饋閉環(huán)，然后再次通過頻率響應(yīng)測試儀測試速度內(nèi)環(huán)閉環(huán)后的對象模型，輸入為給定位置，輸出為ccd量，此對象模型為外環(huán)被控對象模型，稱為gp(s)，然后可設(shè)計ccd環(huán)控制器cp(s)，這樣就構(gòu)成了傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制；

步驟(4)：添加插件式加速度反饋控制，首先把速度控制器cv(s)的輸出驅(qū)動量除直接送給硬件驅(qū)動外，還同時送出給一個虛擬對象從而得到一個理想輸出加速度量；然后用實際加速度計所測得的加速度值減去這個理想輸出量，這樣利用一個真實含擾動輸出量和一個理想無擾動輸出量求差可觀測出外部擾動量；

步驟(5)：把該估計外部擾動量輸入到加速度反饋控制器中則輸出得到真實前饋量，最后把該前饋量直接加入速度控制器的給定中，如此便實現(xiàn)了整體的插件式加速度反饋控制。

其中，步驟(3)中內(nèi)環(huán)速度控制器cv(s)和外環(huán)ccd位置控制器cp(s)都設(shè)計為pi控制器，其模型參考如下：

其中，kp為比例增益，ki為積分增益。

其中，步驟(4)中由于加速度計對中高頻敏感，所以其所測得的對象精度較高，可以認(rèn)為虛擬對象和真實對象相當(dāng)。另外，所觀測的外部擾動量由于是基于加速度計所得，所以觀測得到的擾動量是擾動力矩量。

其中，步驟(5)中前饋控制器c′a(s)理論上為一個常數(shù)當(dāng)量，但是由于所觀測的數(shù)據(jù)包含一定噪聲，因此，c′a(s)設(shè)計為如下帶一階濾波環(huán)節(jié)的控制器模型：

其中，tf為濾波器濾波帶寬因子。當(dāng)前饋補償器設(shè)計為如上模型后，整個反饋回路的擾動抑制能力呈現(xiàn)高通濾波特性，從而有力的提高系統(tǒng)的低頻誤差抑制能力，也就是中低頻跟蹤性能。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：

(1)相對傳統(tǒng)的直接加速度反饋控制方法，該發(fā)明采用基于擾動觀測器的思想，避開直接采用零極點補償?shù)目刂破髟O(shè)計方式，能有效的減少加速度環(huán)的實現(xiàn)難度，優(yōu)化了控制結(jié)構(gòu)，提升其在實際工程中的實用性；

(2)該方法中加速度反饋的實現(xiàn)對外部速度位置環(huán)無影響，設(shè)計時獨立，作為一個插件可選擇性的加入到控制回路中，提高了系統(tǒng)在不同情況下的適應(yīng)性；

(3)該方法可有效提高系統(tǒng)的中頻誤差抑制性能，提升系統(tǒng)魯棒性，滿足實際工程對穩(wěn)定精度的需求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種插件式加速度反饋的快反鏡光束穩(wěn)定控制方法的控制框圖；

圖2是本發(fā)明的一種插件式加速度反饋的快反鏡光束穩(wěn)定控制方法的誤差抑制對比圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細(xì)說明。

如附圖1所示是一種插件式加速度反饋的快反鏡光束穩(wěn)定控制方法的控制框圖，其中包括內(nèi)部加速度反饋閉環(huán)、陀螺速度閉環(huán)和ccd位置外環(huán)。本方法的核心思想是在加速度環(huán)中引入擾動觀測器，利用模型估計出擾動力矩，然后進行反饋補償。由于對控制框圖的優(yōu)化，理論上加速度計可設(shè)計為一個常數(shù)控制器。采用所述方法實現(xiàn)閉環(huán)控制的具體實施步驟如下：

步驟(1)：在快反鏡跟蹤控制系統(tǒng)中安裝加速度計、陀螺慣性傳感器和ccd位置傳感器，用以測量快反鏡的偏轉(zhuǎn)角加速度、角速度和角位置量。慣性傳感器的采樣頻率一般較高，主要是用以實現(xiàn)一個高帶寬線性內(nèi)環(huán)，為外環(huán)提供一個線性被控對象；

步驟(2)：通過頻率響應(yīng)測試儀對平臺的加速度、速度頻率對象特性進行測試，輸入為控制器輸出值，輸出為傳感器采樣值，通過對所測得的對象進行辨識，最終獲得對象模型ga(s)和gv(s)；

步驟(3)：在獲取到被控對象模型gv(s)基礎(chǔ)上，設(shè)計內(nèi)環(huán)速度控制器cv(s)實現(xiàn)速度反饋閉環(huán)，然后再次通過頻率響應(yīng)測試儀測試速度內(nèi)環(huán)閉環(huán)后的對象模型，輸入為給定位置，輸出為ccd量，此對象模型為外環(huán)被控對象模型，稱為gp(s)，然后可設(shè)計ccd環(huán)控制器cp(s)，這樣就構(gòu)成了傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制；

步驟(4)：添加插件式加速度反饋控制，首先把速度控制器cv(s)的輸出驅(qū)動量除直接送給硬件驅(qū)動外，還同時送出給一個虛擬對象從而得到一個理想輸出加速度量；然后用實際加速度計所測得的加速度值減去這個理想輸出量，這樣利用一個真實含擾動輸出量和一個理想無擾動輸出量求差可觀測出外部擾動量；

步驟(5)：把該估計外部擾動量輸入到加速度反饋控制器中則輸出得到真實前饋量，最后把該前饋量直接加入速度控制器的給定中，如此便實現(xiàn)了整體的插件式加速度反饋控制。

其中，步驟(3)中內(nèi)環(huán)速度控制器cv(s)和外環(huán)ccd位置控制器cp(s)都設(shè)計為pi控制器，其模型參考如下：

其中，kp為比例增益，ki為積分增益。

其中，步驟(4)中由于加速度計對中高頻敏感，所以其所測得的對象精度較高，可以認(rèn)為虛擬對象和真實對象相當(dāng)。另外，所觀測的外部擾動量由于是基于加速度計所得，所以觀測得到的擾動量是擾動力矩量。

其中，步驟(5)中前饋控制器c′a(s)理論上為一個常數(shù)當(dāng)量，但是由于所觀測的數(shù)據(jù)包含一定噪聲，因此，c′a(s)設(shè)計為如下帶一階濾波環(huán)節(jié)的控制器模型：

其中，tf為濾波器濾波帶寬因子。當(dāng)前饋補償器設(shè)計為如上模型后，整個反饋回路的擾動抑制能力呈現(xiàn)高通濾波特性，從而有力的提高系統(tǒng)的低頻誤差抑制能力，也就是中低頻跟蹤性能。

下面以一快反鏡跟蹤平臺實驗系統(tǒng)為例對本發(fā)明的設(shè)計過程和效果進行詳細(xì)說明：

(1)通過頻率響應(yīng)測試儀測出系統(tǒng)的加速度和速度被控對象模型分別為如下

(2)然后可設(shè)計內(nèi)環(huán)速度控制器為cv(s)和外環(huán)ccd控制器cp(s)實現(xiàn)傳統(tǒng)雙環(huán)閉環(huán)，其中ccd頻率為50hz，延時為3幀(60ms)；

(3)在完成傳統(tǒng)雙閉環(huán)的基礎(chǔ)上，設(shè)計插件式加速度反饋控制器，通過理論可計算出加速度控制器增益為0.65，濾波帶寬可設(shè)計到100hz左右，因此真實的加速度控制器可設(shè)計為如下；

(4)如圖2是本發(fā)明的擾動抑制能力對比圖。在相同情況下，可以明確看出在采用基于擾動觀測器的加速度反饋閉環(huán)控制后，系統(tǒng)的在低頻的誤差抑制能力和傳統(tǒng)的三閉環(huán)方法相當(dāng)，但是在中頻的誤差抑制能力大大提高，同時保證系統(tǒng)穩(wěn)定特性，延續(xù)了高頻的誤差抑制能力。