[发明专利]一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法

说明书

本发明公开了一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法。针对快反镜中普遍使用的光纤陀螺体积质量大、价格功耗高，而加速度计由于低频噪声的存在，内环中低频扰动抑制能力不足，无法替代光纤陀螺的问题，该方法在基于加速度反馈的基础上，在加速度内环里添加扰动观测器进行前馈，观测外界对平台的扰动力矩并前馈到加速度控制器中，实现对扰动的补偿，增强了加速度计的能力，提高了系统中低频的扰动抑制能力。该方法是从传感器的使用方式上对系统进行优化，结合反馈和前馈的方式充分挖掘加速度计传感器的能力，发挥了加速度计带宽高、体积质量小，价格便宜的特点，节约了空间和成本。

技术领域

本发明属于光电跟踪平台惯性稳定控制领域，具体涉及一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法，主要提高系统中低频扰动抑制能力，从而进一步提升运动平台光电跟踪设备稳定视轴的性能。

背景技术

在光电跟踪系统中，相比粗跟踪机架，快反镜惯性小，带宽很高，因此广泛用于精跟踪系统中。运动平台上的快反镜不仅要用于跟踪目标，还要完成对运动平台扰动的抑制，而且整个系统的中高频扰动抑制主要靠快反镜的抑制能力。在控制方式上，传统的方案是利用光纤陀螺和CCD构成速度位置双环来提高系统的扰动抑制能力，但是光纤陀螺体积大、质量高，会改变平台的传递特性，不利于平台控制，而且价格高，功耗大。相比光纤陀螺，加速度计体积小、质量轻、价格便宜、功耗低，非常适合用于替代光纤陀螺。文献《Acceleration feedback of a CCD-based tracking loop for fast steering mirror》(Optical Engineering，Vol(48)，2009)利用加速度计、CCD实现了双环稳定控制，但是由于加速度计低频噪声的影响，作者把加速度闭环设计成了带通滤波器，牺牲了中低频的扰动抑制性能，没有充分发挥加速度计的性能。文献《Inertial sensor-based multi-loopcontrol of fast steering mirror for line of sight stabilization》(OpticalEngineering，Vol(55)，2016)利用加速度、陀螺、和CCD实现了三闭环控制，虽然进一步提高了系统的扰动抑制性能，但是由于增加了一种传感器，增加了功耗和成本投入。

发明内容

针对当前快反镜控制系统中普遍使用的光纤陀螺体积质量大，价格和功耗高的问题，本文提出用体积质量小，功耗小而且便宜的加速度计替代光纤陀螺，构建加速度和位置闭环，然后在加速度内环里添加扰动观测补偿器，观测外部扰动力矩，并前馈到加速度控制器的给定中，补偿扰动力矩的影响。本文提出的方法将加速度计同时使用在反馈和前馈当中，充分发挥了加速计的潜力。

为实现本发明的目的，本发明提供一种基于单加速度计的快反镜扰动观测补偿控制方法，其具体实施步骤如下：

步骤(1)：在快反镜稳定平台的两偏转轴上分别安装加速度计，用以分别敏感平台两轴在惯性空间运动的角加速度。加速计延时小，采样频率高，可以得到很高的带宽；

步骤(2)：实验中快反镜的驱动机构为线性特性很好的音圈电机，通过频响仪可对平台的加速度对象特性进行测量，输入为加速控制器输出值，输出为加速度计测量值。高带宽的加速度计可获得高度近视的加速度对象模型方便设计高带宽的加速度内环；

步骤(3)：在得到被控对象近视模型基础上，设计加速度控制器C_a(s)实现加速度闭环，然后设计位置控制器C_p(s)，利用CCD实现位置闭环，这样就实现了加速度位置双闭环控制；

步骤(4)：在加速环内构建扰动观测器，添加测量的对象模型把加速度控制器的输出分别输入给真实平台和测量的对象模型利用两者的输出量相减，观测出扰动力矩；

步骤(5)：设计扰动补偿控制器C_f(s)，把观测出的扰动力矩转换为加速度控制给定量来进行前馈补偿，从而实现对扰动力矩的抵消。