[发明专利]一种基于改进型重复自抗扰的光电跟踪系统控制方法

说明书

本发明公开了一种基于改进型重复自抗扰的光电跟踪系统控制方法，该方法通过引入时延环节、水床调节函数和低通滤波器，缓解传统重复控制对非周期扰动分量的放大和解决实际作用频率点的偏移；同时不需要额外的传感器或信号获取，仅仅使用精密定位控制系统的输入和输出信号，构造一个改进型的自抗扰控制方法来观测和估计光电跟踪系统中存在的不确定性和扰动，并通过补偿到输入端实现总扰动的消除。该方法是从控制算法上对系统进行优化，不需要添加任何硬件结构，控制成本低；该方法思路清晰，结构简单，参数易调整，在工程上可直接应用和实现。

技术领域

本发明属于光电跟踪与稳定控制领域，具体涉及一种基于重复自抗扰的控制方法，实现对精密定位控制系统中存在的不确定性、周期频率扰动和非周期宽带扰动的抑制。

背景技术

光电跟踪系统是以机械结构、光电传感器和稳定控制方法构成的高精度跟踪和定位设备，在天文观测、自由光通信、惯性平台稳定等领域有着广泛的应用。在过去几十年里，无论是最初的光电经纬仪还是目前最为先进的空间望远镜，倾斜镜控制系统都是光电跟踪系统中的精密定位控制系统，稳定控制倾斜镜也是最终实现高跟踪精度和定位性能的关键技术。为了充分达到所需要的控制性能，对扰动的抑制和不确定性的鲁棒性是提高精密控制技术的基本属性。一方面，扰动始终存在在光电控制系统中，包括外界环境的风矩、电机力矩、平台的振动等，其中大部分的扰动频率范围表征在宽带低频。近些年，光电跟踪系统从传统的地基平台向汽车、舰船、飞机、卫星等运动载体发展，突破了时间和空间的限制得到了更好的发挥。其中，不可忽视的是运动载体带来的周期性振动，例如：履带车收到的由履带拍打产生的振动，其基频为履带节距/车速；直升飞机受到主旋翼和尾桨带来的恒定旋转振动；舰船上的周期振动是由螺旋桨叶片的扰动和螺旋桨轴系的不平衡力引起的。这些复杂且随机的扰动将影响闭环跟踪精度甚至破坏系统的稳定性。传统的重复控制在周期信号的基频和谐波频率点上可以提升抑制/跟踪能力，但是在其他频段会产生较为严重的水床效应，即放大非重复频率段的扰动，恶化控制性能。另一方面，精密定位控制系统在工作过程中随着其姿态、角度运动的变化，自身负载或质量不平衡导致倾斜镜的被控特性发生变化，这些不确定的动态性能使得控制精度降低。此外，控制真实设备同样普遍存在系统动态模型参数的不确定性，这些不可避免的建模不准确性使得基于已知模型设计的控制器无法达到期望的控制性能。因此，采用高性能的控制算法来主动克服这些周期扰动、非周期扰动和不确定性显得尤为重要。

发明内容

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种改进型重复自抗扰控制方法，通过引入时延环节、水床调节函数和低通滤波器，缓解传统重复控制对非周期扰动分量的放大和解决实际作用频率点的偏移；同时不需要额外的传感器或信号获取，仅仅使用精密定位控制系统的输入和输出信号，构造一个改进型的自抗扰控制方法来观测和估计系统中存在的不确定性和扰动，并通过补偿到输入端实现总扰动的消除。整个控制系统的具体实施步骤如下：

步骤(1)：搭建一个精密定位控制实验装置，包括光源、位置探测器、倾斜镜、电机、控制器和驱动放大模块，光源发射的激光通过倾斜镜反射进入位置探测器，位置探测器将激光位置输出信号进行模数转换给控制器，控制器按照给定的控制算法得到电机驱动量，并通过驱动放大模块致动倾斜镜，实现闭环误差校正，从而稳定光轴在位置探测器中心，整个控制系统以状态空间的形式可以表示为：

其中，y,x₁为系统输出状态，即位置探测器获取的光源位置输出信号，x₂为输出状态的一阶导，u是系统的输入信号，即控制计算得到的驱动电压，w是系统存在的不确定性和扰动，a₁,a₂,b₀是控制系统部分已知的近似参数。

步骤(2)：在经典闭环系统基础上实现传统重复控制，在跟踪误差信号到控制器给定输入信号之间并联一个时滞模型，该模型是一个正反馈环节，可以表示为其中，前向通道由延迟环节和低通滤波器q(s)串联构成，M_CRC(s)是传统重复控制内模的复数域传递函数表达式。