一種基于干擾觀測的快速反射鏡擾動抑制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于干擾觀測的快速反射鏡擾動抑制方法，包括PID控制器，前饋控制器，干擾觀測器以及信號識別與分離裝置。其中前饋控制器由比例環(huán)節(jié)與二階環(huán)節(jié)并聯(lián)組成，用于將影響快速反射鏡系統(tǒng)的擾動信號轉(zhuǎn)變?yōu)檠a償信號并輸入系統(tǒng)前向通路中與影響被控制快速反射鏡的擾動信號相消。干擾觀測器由低通濾波器和被控快速反射鏡的標(biāo)稱模型的逆構(gòu)成，用于估計進(jìn)入快速反射鏡系統(tǒng)中的擾動信號，低通濾波器還起到消除高頻測量噪聲和抑制外干擾的作用。本發(fā)明在經(jīng)典的PID控制的快速反射鏡基礎(chǔ)上，利用前饋控制和干擾觀測的優(yōu)點，對系統(tǒng)中的擾動(無論擾動信號是否可測)進(jìn)行全抑制，可以提高快速反射鏡系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。
【專利說明】
一種基于干擾觀測的快速反射鏡擾動抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于精密機(jī)械控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于干擾觀測的快速反射鏡擾動抑 制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 快速反射鏡是光學(xué)系統(tǒng)中調(diào)整光束傳播方向的重要部件，由于工作環(huán)境的復(fù)雜 性，快速反射鏡系統(tǒng)不可避免的受到各種干擾因素的影響，這些干擾信號會導(dǎo)致系統(tǒng)不能 產(chǎn)生精確的輸出，甚至是造成輸出信號的失真。因此在設(shè)計快速反射鏡控制系統(tǒng)時應(yīng)該充 分考慮干擾信號對系統(tǒng)性能的影響，使系統(tǒng)對輸入的干擾信號具有較強的抑制能力。
[0003] 作為一種比較成熟的控制方案，PID控制技術(shù)在快速反射鏡的控制中有著廣泛的 應(yīng)用，快速反射鏡的控制系統(tǒng)主要是以PID為控制器的反饋控制系統(tǒng)。由于反饋控制是基于 誤差的控制，這種控制方式是在擾動進(jìn)入并影響快速反射鏡系統(tǒng)后才作用的，造成補償過 程存在一定的延遲，對擾動信號的抑制作用有限。前饋校正是一種開環(huán)控制方式去補償擾 動信號的控制方法，采用前饋校正技術(shù)可以在不影響反饋控制系統(tǒng)特性的情況下實現(xiàn)對擾 動信號的補償，但是要求擾動信號是可測的，但由于快速反射鏡工作環(huán)境的復(fù)雜性，作用于 快速反射鏡系統(tǒng)中的很多干擾信號都無法量測。
[0004] 將快速反射鏡受到外部力矩干擾及其本身參數(shù)變化造成的實際模型與理論模型 的輸出差異統(tǒng)統(tǒng)等效到控制的輸入端(估計擾動），并在控制系統(tǒng)中引入等量的補償，可以 實現(xiàn)對干擾的抑制(抑制擾動）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:對于作用于快速反射鏡系統(tǒng)的擾動信號，無論其是 否可以測量，都可以對其進(jìn)行抑制。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于干擾觀測的快速反射鏡擾動抑制方法，該方 法步驟如下：
[0007] 步驟1、在常規(guī)PID控制下，作用于快速反射鏡的擾動信號會嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)精度，據(jù)此設(shè)計前饋控制環(huán)節(jié)，用于補償擾動信號引起的偏差，從而減小擾動對快速反 射鏡的影響在初始階段的誤差，系統(tǒng)在出現(xiàn)階躍擾動時，前饋控制環(huán)節(jié)就可以補償這個擾 動信號造成的誤差信號，
[0009]式中，G(s)為被控快速反射鏡，Gc(s)為PID控制器，Gf(s)為前饋校正環(huán)節(jié)，N(s)為 擾動信號，當(dāng)前饋校正環(huán)節(jié)Gf(s)=-1/Gc(s)時，可以使得在擾動作用下的系統(tǒng)輸出為0,實 現(xiàn)系統(tǒng)的全補償，快速反射鏡的PID控制器表示為：
[0011]式中，kp、ki和kd為PID控制參數(shù)，T為濾波器系數(shù)；
[0012] 這樣，前饋控制器GKsh-MTs+D/TkpT+kdV+Up+kms+lu]，引入干擾觀測器 對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的抑制；
[0013] 步驟2、由于前饋控制環(huán)節(jié)只能對可量測的擾動信號進(jìn)行補償，當(dāng)作用于快速反射 鏡的擾動信號不可測量時，前饋控制環(huán)節(jié)將無法抑制，據(jù)此設(shè)計干擾觀測器對快速反射鏡 系統(tǒng)中存在的所有擾動信號進(jìn)行觀測，并將觀測到的擾動信號反饋到控制系統(tǒng)中，降低擾 動引起的系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差，系統(tǒng)受到隨機(jī)振動擾動信號作用時，進(jìn)入系統(tǒng)的擾動將被 干擾觀測器反饋到系統(tǒng)前向通路中，
[0014] c/ = (，;十c/JGuKJjl.s'}- r ? c/
[0015] 式中，e是偏差信號，d是實際擾動信號，上式說明對于作用快速反射鏡的擾動信號 是可估的；
[0016] 步驟3、針對干擾觀測器觀測到的擾動信號與快速反射鏡系統(tǒng)實際擾動之間存在 延遲，造成控制系統(tǒng)的輸出在初始階段幅值較大的問題，設(shè)計基于干擾觀測的復(fù)合控制方 法，綜合前饋校正與干擾觀測反饋的優(yōu)點，降低作用于快速反射鏡系統(tǒng)的擾動信號對系統(tǒng) 輸出的影響，且該擾動信號是否可以測量時均能夠降低對系統(tǒng)輸出的影響，
[0017] 根據(jù)梅森增益公式：
[0019] 式中G(s)是被控快速反射鏡的傳遞函數(shù)，Gn(s)是快速反射鏡名義模型的傳遞函 數(shù)，Gc(s)為PID控制器；
[0020] 當(dāng)擾動輸出為 0,有 Gf(s) = 1-1/Gc(s)，
[0021] 由上式可以看出在前饋控制的快速反射鏡系統(tǒng)中加入干擾觀測器后，只需要在前 饋環(huán)節(jié)中增加一個并聯(lián)比例增益即可起到對加入干擾觀測器后的擾動抑制。
[0022] 其中，所述的干擾觀測器，由快速反射鏡系統(tǒng)的標(biāo)稱模型和低通濾波器組成，引入 低通濾波器是考慮到系統(tǒng)的標(biāo)稱模型的逆在工程上很難實現(xiàn)，通過對干擾觀測器的結(jié)構(gòu)做 適當(dāng)?shù)淖儞Q，可以使得成為有理式，便于在工程上實現(xiàn)，同時低通濾波器還可以 起到抑制高頻噪聲的作用。
[0023] 其中，所述的基于干擾觀測的復(fù)合控制方法中對作用于系統(tǒng)的外界擾動進(jìn)行信號 識別與分離，將可測量的擾動信號直接接入前饋環(huán)節(jié)中予以補償，而將觀測得到的外界擾 動的混合信號反饋到系統(tǒng)前向通路中，實現(xiàn)對外界擾動的全抑制。
[0024] 本發(fā)明的原理：
[0025] 在常規(guī)PID反饋控制技術(shù)下，反饋控制對于擾動的抑制總是滯后的，擾動信號在影 響到快速反射鏡系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)才會對其作出反應(yīng)?；诜答伩刂颇Ｐ?，引入前饋控制方 法，前饋控制器將擾動信號引入到前向通路中，并在擾動信號對被控快速反射鏡作用之前 產(chǎn)生響應(yīng)補償信號，用于抵消擾動信號對系統(tǒng)的作用。
[0026] 采用前饋控制補償擾動信號對系統(tǒng)輸出的影響，是提高系統(tǒng)控制性能的一種有效 方法，采用這種方法的前提是擾動信號可以量測，對于不可量測的擾動，前饋控制無法對其 進(jìn)行補償?shù)摹?br>[0027] 干擾觀測器可觀測到快速反射鏡系統(tǒng)中存在的擾動信號，實現(xiàn)對擾動信號的全補 償，但這種補償存在一定的滯后。綜合反饋控制、前饋控制以及干擾觀測的優(yōu)缺點，在快速 反射鏡系統(tǒng)中采用基于干擾觀測觀測的復(fù)合控制方法，提高系統(tǒng)對擾動的抑制能力。
[0028] 快速反射鏡控制系統(tǒng)一般采用經(jīng)典的PID控制方法，但是由于這種固定參數(shù)PID控 制器的適應(yīng)能力較弱，對擾動信號的抑制效果也較差。采用前饋校正裝置可有效抑制可量 測擾動信號對快速反射鏡系統(tǒng)的影響，使擾動信號在對系統(tǒng)產(chǎn)生作用前對其進(jìn)行補償。
[0029] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點在于:基于干擾觀測的快速反射鏡擾動抑制方法結(jié)合 前饋控制與干擾觀測器的優(yōu)點，彌補了前饋控制只能抑制可量測擾動和干擾觀測器觀測到 的擾動信號與實際信號相比存在延遲的缺點，可以大幅度提高快速反射鏡對各種擾動信號 的抑制能力，同時提尚系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。
【附圖說明】
[0030] 圖1是快速反射鏡系統(tǒng)經(jīng)典PID控制原理圖；
[0031]圖2是前饋控制結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖3是干擾觀測器結(jié)構(gòu)圖；
[0033]圖4是基于干擾觀測的快速反射鏡擾動抑制原理圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖以及【具體實施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0035]常用的快速反射鏡反饋控制模型如圖1所示。圖中u代表信標(biāo)信號給定的定位位 置，通常是一個常數(shù)。d是作用于快速反射鏡系統(tǒng)的擾動信號，e是實際光軸位置與給定位置 的偏差，可以看到此時擾動信號直接作用于快速反射鏡，反饋控制是在偏差信號出現(xiàn)之后 才對其進(jìn)行校正的，有一定的時間延遲，當(dāng)有擾動作用時，快速反射鏡的輸出在初始階段會 產(chǎn)生較大的誤差，難以滿足系統(tǒng)高精度的要求。
[0036]快速反射鏡的前饋控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。前饋環(huán)節(jié)在可量測擾動信號對系統(tǒng)作 用之前對其進(jìn)行補償，可以有效的抑制擾動信號對快速反射鏡系統(tǒng)的影響。系統(tǒng)在擾動作 用下的輸出值為：
[0038]式中，G(s)為被控快速反射鏡，Gc(s)為PID控制器，Gf(s)為前饋校正環(huán)節(jié)，N(s)為 擾動信號。當(dāng)前饋校正環(huán)節(jié)Gf(s)=-1/Gc(s)時，可以使得在擾動作用下的系統(tǒng)輸出為0,實 現(xiàn)系統(tǒng)的全補償?？焖俜瓷溏R的PID控制器表示為：
[0040]式中，kP、ki和kd為PID控制參數(shù)，T為濾波器系數(shù)。
[0041 ]這樣，前饋控制器Gf(s) = -s(Ts+l)/[kPT+kd)s2+(kP+kiT)s+ki]。由于前饋環(huán)節(jié)含 有高階環(huán)節(jié)，在物理上很難實現(xiàn)，因此采用近似的前饋補償來實現(xiàn)，但是名義模型和實際模 型之間是存在誤差的，不能完全抑制系統(tǒng)中的擾動，為了克服前饋環(huán)節(jié)智能補償部分能力 的不足，引入干擾觀測器對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的抑制。
[0042] 干擾觀測器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。由于被控快速反射鏡的精確數(shù)學(xué)模型無法得到， 因此采用快速反射鏡的名義模型Gn(s)的逆作為干擾觀測器標(biāo)稱模型的傳遞函數(shù)。等效干 擾的估計值g為：
[0043] d = {8 + d)G{s)Gii\s)-i：^d
[0044]式中，e是偏差信號，d是實際擾動信號。上式說明對于作用快速反射鏡的擾動信號 是可估的。
[0045]基于干擾觀測的快速反射鏡擾動抑制方法如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)擾動信號時， 信號識別與分離裝置對該信號進(jìn)行判斷，對于可識別的擾動信號直接饋入前饋環(huán)節(jié)，對于 不可識別的信號則經(jīng)過受控快速反射鏡并經(jīng)過干擾觀測器再次饋入系統(tǒng)。根據(jù)梅森增益公 式：
[0047]式中G(s)是被控快速反射鏡的傳遞函數(shù)，Gn(s)是快速反射鏡名義模型的傳遞函 數(shù)，Gc(s)為PID控制器。
[0048]當(dāng)擾動輸出為 0,有 Gf(s) = 1-1/Gc(s)。
[0049]由上式可以看出在前饋控制的快速反射鏡系統(tǒng)中加入干擾觀測器后，只需要在前 饋環(huán)節(jié)中增加一個并聯(lián)比例增益即可起到對加入干擾觀測器后的擾動抑制。說明基于干擾 觀測的快速反射鏡抑制方法與原方法相比，不需要額外增加傳感器，這可以大大減小系統(tǒng) 的復(fù)雜度。
【主權(quán)項】
1. 一種基于干擾觀測的快速反射鏡擾動抑制方法，其特征在于:該方法步驟如下： 步驟1、在常規(guī)PID控制下，作用于快速反射鏡的擾動信號會嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，據(jù)此設(shè)計前饋控制環(huán)節(jié)，用于補償擾動信號引起的偏差，從而減小擾動對快速反射鏡 的影響在初始階段的誤差，系統(tǒng)在出現(xiàn)階躍擾動時，前饋控制環(huán)節(jié)就可W補償運個擾動信 號造成的誤差信號， 式中，G( S)為被控快速f 前饋校正環(huán)節(jié)，N( S)為擾動 信號，當(dāng)前饋校正環(huán)節(jié)Gf(S) 1下的系統(tǒng)輸出為0,實現(xiàn)系 統(tǒng)的全補償，快速反射鏡的P 式中，kp、ki和kd為PID控制參數(shù)，T為濾波器系數(shù)； 運樣，前饋控制器Gf(s)=-s(Ts+1)/比pT+kd)s2+化p+kiT)s+ki]，引入干擾觀測器對系統(tǒng) 進(jìn)行進(jìn)一步的抑制； 步驟2、由于前饋控制環(huán)節(jié)只能對可量測的擾動信號進(jìn)行補償，當(dāng)作用于快速反射鏡的 擾動信號不可測量時，前饋控制環(huán)節(jié)將無法抑制，據(jù)此設(shè)計干擾觀測器對快速反射鏡系統(tǒng) 中存在的所有擾動信號進(jìn)行觀測，并將觀測到的擾動信號反饋到控制系統(tǒng)中，降低擾動引 起的系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差，系統(tǒng)受到隨機(jī)振動擾動信號作用時，進(jìn)入系統(tǒng)的擾動將被干擾 觀測器反饋到系統(tǒng)前向通路A式中，e是偏差信號，d是實際擾動信號，上式說明對于作用快速反射鏡的擾動信號是可 估的； 步驟3、針對干擾觀測器觀測到的擾動信號與快速反射鏡系統(tǒng)實際擾動之間存在延遲， 造成控制系統(tǒng)的輸出在初始階段幅值較大的問題，設(shè)計基于干擾觀測的復(fù)合控制方法，綜 合前饋校正與干擾觀測反饋的優(yōu)點，降低作用于快速反射鏡系統(tǒng)的擾動信號對系統(tǒng)輸出的 影響，且該擾動信號是否可W測量時均能夠降低對系統(tǒng)輸出的影響； 根據(jù)梅森增益公式：式中G(S)是被控快速反射鏡的傳遞函數(shù)，Gn(S)是快速反射鏡名義模型的傳遞函數(shù)，G。 (S)為PID控制器； 當(dāng)擾動輸出為0,有Gf(s) = 1-1/Gc(s)， 由上式可W看出在前饋控制的快速反射鏡系統(tǒng)中加入干擾觀測器后，只需要在前饋環(huán) 節(jié)中增加一個并聯(lián)比例增益即可起到對加入干擾觀測器后的擾動抑制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于干擾觀測的快速反射鏡擾動抑制方法，其特征在于:所述 的干擾觀測器，由快速反射鏡系統(tǒng)的標(biāo)稱模型和低通濾波器組成，引入低通濾波器是考慮 到系統(tǒng)的標(biāo)稱模型的逆在工程上很難實現(xiàn)，通過對干擾觀測器的結(jié)構(gòu)做適當(dāng)?shù)淖儞Q，可W 使得Q(S)Gn^l(S)成為有理式，便于在工程上實現(xiàn)，同時低通濾波器還可W起到抑制高頻噪 聲的作用。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于干擾觀測的快速反射鏡擾動抑制方法，其特征在于:所述 的基于干擾觀測的復(fù)合控制方法中對作用于系統(tǒng)的外界擾動進(jìn)行信號識別與分離，將可測 量的擾動信號直接接入前饋環(huán)節(jié)中予W補償，而將觀測得到的外界擾動的混合信號反饋到 系統(tǒng)前向通路中，實現(xiàn)對外界擾動的全抑制。
【文檔編號】G05B13/04GK105911869SQ201610513975
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】艾志偉, 譚毅, 吳瓊雁, 任戈
【申請人】中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所