一種慣性穩(wěn)定平臺不平衡擾動的抑制方法
【專利摘要】一種慣性穩(wěn)定平臺不平衡擾動的抑制方法，包括前饋控制器和擾動觀測器。其中，前饋控制器由比例環(huán)節(jié)組成，將平臺的不平衡擾動轉(zhuǎn)變?yōu)檠a償電流并前饋到平臺電流回路中，驅(qū)動電機產(chǎn)生與不平衡擾動大小相等、方向相反的控制力矩；擾動觀測器包括低通濾波器和平臺的標稱模型，低通濾波器可以在抑制低頻的不平衡擾動的同時消除高頻噪聲的影響。本發(fā)明利用已經(jīng)建立的不平衡擾動模型，使用前饋+擾動觀測器的綜合控制方法實現(xiàn)對不平衡擾動的抑制，該控制方法綜合利用了前饋和擾動觀測器兩種方法的優(yōu)點，降低了不平衡擾動對平臺性能的影響，顯著提高了慣性穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定精度。本發(fā)明簡便易行，適用于慣性穩(wěn)定平臺不平衡擾動的抑制。
【專利說明】一種慣性穩(wěn)定平臺不平衡擾動的抑制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種慣性穩(wěn)定平臺不平衡擾動的抑制方法，用于抑制慣性穩(wěn)定平臺系 統(tǒng)中存在的不平衡擾動，不平衡擾動建模誤差以及系統(tǒng)中存在的其它擾動，適用于慣性穩(wěn) 定平臺對不平衡擾動的抑制。

【背景技術(shù)】
[0002] 高分辨率對地觀測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軍事偵察、基礎(chǔ)測繪、災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。要實 現(xiàn)理想的對地觀測，要求攝像載荷能夠保持穩(wěn)定，但是在實際情況下，由于大氣紊流和自身 擾動等因素的影響，攝像載荷難以保持理想的穩(wěn)定狀態(tài)，使得視軸失穩(wěn)，導致成像質(zhì)量的下 降，分辨率降低。為提高成像質(zhì)量，可將慣性穩(wěn)定平臺安裝于飛行器和遙感載荷之間，利用 慣性穩(wěn)定平臺有效隔離載體的擾動及非理想姿態(tài)運動。同時平臺可為遙感載荷提供穩(wěn)定的 水平姿態(tài)基準，顯著提高遙感載荷的成像質(zhì)量，并且可以保證遙感載荷在成像時的航向穩(wěn) 定，提高航空遙感系統(tǒng)的作用效率，而這就對慣性穩(wěn)定平臺的精度指標提出較高要求。
[0003] 影響慣性穩(wěn)定平臺穩(wěn)定精度的因素有很多，包括不平衡擾動、基座角運動、框架耦 合、摩擦等。其中，不平衡擾動是慣性穩(wěn)定平臺的主要擾動之一，會嚴重影響慣性穩(wěn)定平臺 的穩(wěn)定精度，常規(guī)的PID控制器往往參數(shù)整定不良，性能欠佳，難以滿足慣性穩(wěn)定平臺高精 度的控制要求；而且反饋控制是基于誤差的控制，只能在擾動進入并影響系統(tǒng)之后才起作 用，在補償方面存在一定的延遲，對擾動的抑制作用有限。因此研究不平衡擾動的抑制方 法，對于提高慣性穩(wěn)定平臺的整體性能具有重大的意義。采用前饋+干擾觀測器的控制方 法，前饋控制可以在不平衡擾動對系統(tǒng)產(chǎn)生影響之前，對其進行補償，針對前饋控制難以補 償?shù)牟黄胶鈹_動建模誤差以及平臺系統(tǒng)中存在的其它擾動，采用干擾觀測器進行補償，這 種控制策略綜合考慮了前饋控制和擾動觀測器的優(yōu)點，可以大幅降低不平衡擾動對慣性穩(wěn) 定平臺系統(tǒng)性能的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種穩(wěn)態(tài)精度更高、適應(yīng)能 力更強、性能更好的慣性穩(wěn)定平臺不平衡擾動抑制方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種慣性穩(wěn)定平臺不平衡擾動的抑制方法，其特點包 括：
[0006] (1)經(jīng)典PID控制下，不平衡擾動會嚴重影響慣性穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定性能，基于已建 立的不平衡擾動模型，設(shè)計了一種不平衡擾動的前饋控制方法。前饋控制器將不平衡擾動 前饋到電流環(huán)控制回路中，使得力矩電機產(chǎn)生與不平衡擾動大小相等，方向相反的力矩，進 而消除或者降低不平衡擾動對平臺系統(tǒng)性能的影響。在前饋控制器的設(shè)計中，考慮到電流 環(huán)的帶寬遠遠高于速率環(huán)，因此在前饋控制器的設(shè)計過程中將電流環(huán)簡化為比例環(huán)節(jié)，從 而簡化前饋控制器的設(shè)計，將前饋控制器設(shè)置為比例環(huán)節(jié)^，其中K為電機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， N為傳動比。
[0007] (2)前饋控制可以有效抑制已建模擾動的影響，但是其難以抑制不平衡擾動建模 過程中存在的建模誤差，以及慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)中存在的其它擾動對慣性穩(wěn)定平臺性能的 影響，而擾動觀測器可以觀測到慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)中存在的所有擾動，實現(xiàn)對平臺系統(tǒng)中 存在的擾動的全補償，使得這些擾動作用下平臺誤差角輸出穩(wěn)態(tài)值降低。由于慣性穩(wěn)定平 臺系統(tǒng)中電流環(huán)帶寬遠大于速率環(huán)，可以將電流環(huán)看作比例環(huán)節(jié)，因此被控對象可以表示 為dy) = ，K為電機力矩系數(shù)，N為傳動比，J為平臺轉(zhuǎn)動慣量。Gtl(S)為真有理分式， Js 平臺的標稱模型的逆Gr1(為往往難以實現(xiàn)，引入的低通濾波器q(s)要使得泛(ddw成 為真有理分式。因此擾動觀測器設(shè)計的關(guān)鍵是低通濾波器的設(shè)計，而相對階次是低通濾波 器的主要參數(shù)。因為低通濾波器的相對階次應(yīng)該大于或者等于被控對象的相對階次，而平 臺被控對象的相對階次為一階，所以低通濾波器q( s)的相對階次也應(yīng)至少為一階；又因為 低通濾波器的相對階次越大，系統(tǒng)算法計算量越大，魯棒性也越差，所以低通濾波器的相對 階次不能太大。綜合考慮以上兩點，可以設(shè)計低通濾波器的相對階次等于平臺被控對象的 階次，即= 通過標稱模型估計出慣性穩(wěn)定平臺受到的不平衡擾動，同時利用低 TS + 1 通濾波器抑制高頻噪聲，將觀測到的不平衡擾動反饋到平臺系統(tǒng)中，實現(xiàn)對不平衡擾動的 抑制。
[0008] (3)擾動觀測器可以觀測到慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)中存在的所有擾動，但是其觀測到 的平臺系統(tǒng)中存在的擾動與實際擾動之間存在一定的延遲，使得平臺誤差角輸出初始段的 幅值較大；前饋控制可以實現(xiàn)對已建模擾動的補償，但是其難以抑制平臺不平衡擾動建模 誤差以及平臺系統(tǒng)中存在的其它擾動，使得平臺誤差角輸出穩(wěn)態(tài)值較大。綜合考慮前饋控 制和干擾觀測器補償?shù)膬?yōu)缺點，設(shè)計前饋+擾擾觀測器的綜合控制方法實現(xiàn)對不平衡擾動 的抑制。其中，前饋控制器通過比例環(huán)節(jié)將不平衡擾動轉(zhuǎn)變?yōu)檠a償電流，并前饋到平臺的電 流環(huán)中，驅(qū)動電機產(chǎn)生與不平衡擾動大小相等，方向相反的驅(qū)動力矩；擾動觀測器通過平臺 的標稱模型可以估計出慣性穩(wěn)定平臺受到的不平衡擾動，以及平臺系統(tǒng)中存在的不平衡擾 動建模誤差和其它擾動，同時利用低通濾波器抑制高頻噪聲，將觀測到的不平衡擾動反饋 到平臺系統(tǒng)中，實現(xiàn)對不平衡擾動的抑制。
[0009] 本發(fā)明的原理：通常情況下，慣性穩(wěn)定平臺采用經(jīng)典的PID控制方法，但是由于 PID控制器參數(shù)整定不良，適應(yīng)能力弱等缺點，使得其對不平衡擾動的抑制效果有限。采用 前饋控制器可以有效抑制已建模的不平衡擾動的影響，在不平衡擾動影響系統(tǒng)輸出之前， 對其進行補償。
[0010] 但是前饋控制只能針對可量測的擾動進行補償，對于不平衡擾動建模誤差以及平 臺系統(tǒng)受到的其它擾動，需要采用擾動觀測器對其進行全補償。擾動觀測器的基本原理是 將外部力矩干擾及模型參數(shù)變化造成的實際對象與標稱模型輸出的差異等效到控制輸入 端，在控制端引入等效的補償，實現(xiàn)對干擾的完全抑制。但是擾動觀測器觀測到的慣性穩(wěn) 定平臺系統(tǒng)中存在的擾動與實際擾動之間存在一定的延遲，對于周期性擾動表現(xiàn)的尤為明 顯，同時受限于濾波器的帶寬，干擾觀測器對零速時的擾動的補償作用有限。
[0011] 綜合考慮前饋控制和擾動觀測器補償?shù)膬?yōu)缺點，采用前饋+擾動觀測器的綜合控 制方法，可以提1?系統(tǒng)對不平衡擾動的抑制能力，提1?系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：前饋+擾動觀測器的綜合控制策略綜合考慮 了前饋控制和擾動觀測器的優(yōu)點，彌補了前饋控制只能抑制已建模擾動的缺點，同時也彌 補了擾動觀測器觀測到的慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)中存在的擾動與實際擾動存在一定延遲的缺 點。相比于經(jīng)典的PID控制，前饋+擾動觀測器可以大幅提高慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)對不平衡 擾動的抑制能力，提高平臺系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為經(jīng)典PID控制下，慣性穩(wěn)定平臺角度輸出；
[0014] 圖2為前饋控制結(jié)構(gòu)圖；
[0015] 圖3為擾動觀測器原理結(jié)構(gòu)圖；
[0016] 圖4為前饋+擾動觀測器控制下的慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)；
[0017] 圖5為前饋控制下慣性穩(wěn)定平臺角度輸出圖；
[0018] 圖6為擾動觀測器控制下慣性穩(wěn)定平臺角度輸出圖；
[0019] 圖7為前饋+擾動觀測器控制下慣性穩(wěn)定平臺角度輸出圖。

【具體實施方式】
[0020] 不平衡擾動作用下，基于PID控制的慣性穩(wěn)定平臺角度輸出如圖1所示，在0?15 秒范圍內(nèi)，角度輸出會產(chǎn)生比較大的誤差，已經(jīng)大大超出了平臺的穩(wěn)定精度，這是因為反饋 控制是在誤差出現(xiàn)之后才對其進行補償，有一定的時間延遲。而且在PID控制下，平臺角度 輸出穩(wěn)態(tài)值也較大，難以滿足系統(tǒng)高精度的要求。
[0021] 前饋控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，前饋控制可以在擾動對系統(tǒng)產(chǎn)生影響之前，對其進 行補償，因此可以有效地抑制可量測擾動對系統(tǒng)的影響。擾動N(S)作用下系統(tǒng)的輸出可以 表示為：
[0022] (? = -~ --:--1 A(s) W \ + 0](.s)C?2(s)
[0023] 式中，Gf(S)為前饋控制器，G1(S)為經(jīng)典PID控制器，G 2(S)為被控對象。從上式 中可以看出，當前饋控制器&(8) =-1/^(8)，則可以使得在擾動作用下，平臺的輸出C(S) =0,這樣可以實現(xiàn)擾動的全補償。在慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)中，電流環(huán)的控制頻率遠大于速率 環(huán)，在進行前饋控制器設(shè)計時可以將電流環(huán)看作比例環(huán)節(jié)，所以平臺系統(tǒng)中對應(yīng)的經(jīng)典PID 控制器可以表示為G 1 (s) = K ? N，式中K為電機力矩系數(shù)，N為傳動比，這樣，前饋控制器 GF(s) = -1/K ? N。
[0024] 擾動觀測器原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，圖中，Gtl(S)為被控對象的傳遞函數(shù)，d為干 擾，n為測量噪聲，G n(S)為標稱模型，》為觀測到的干擾（即對干擾d的估計），c為控制系 統(tǒng)控制器的輸出，Q(s)為低通濾波器。系統(tǒng)的輸出y(s)可以表不為：
[0025] y (s) = Gcy (s) c (s) +Gdy (s) d (s) +Gny (s) n (s)
[0026] 其中：

【權(quán)利要求】
1. 一種慣性穩(wěn)定平臺不平衡擾動的抑制方法，其特征在于： (1) 針對經(jīng)典PID控制下，不平衡擾動會嚴重影響慣性穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定精度的問題，設(shè) 計一種基于前饋控制的不平衡擾動抑制方法，從而大幅減小不平衡擾動引起的平臺誤差角 輸出初始段的幅值； (2) 針對前饋補償難以抑制不平衡擾動建模誤差，以及慣性穩(wěn)定平臺受到的其它擾動 的問題，設(shè)計擾動觀測器對平臺系統(tǒng)受到的不平衡擾動進行觀測，并將觀測到的不平衡擾 動反饋回平臺系統(tǒng)中，從而降低不平衡擾動引起的平臺誤差角輸出的穩(wěn)態(tài)值； (3) 針對擾動觀測器觀測到的平臺系統(tǒng)中存在的擾動與實際擾動之間存在一定的延 遲，使得平臺誤差角輸出初始段幅值較大的問題，設(shè)計前饋+擾動觀測器的綜合控制方法， 可以綜合利用前饋補償和擾動觀測器補償?shù)膬?yōu)點，降低不平衡擾動引起的平臺誤差角輸出 值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的慣性穩(wěn)定平臺不平衡擾動的抑制方法，其特征在于：所述的 步驟（1)中前饋控制方法為：因為慣性穩(wěn)定平臺電流環(huán)的帶寬遠遠高于速率環(huán)，所以將平 臺的電流環(huán)簡化為比例環(huán)節(jié)，其中K為電機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，N為傳動比,從而設(shè)計簡化的 前饋控制器。通過前饋控制器將不平衡擾動轉(zhuǎn)變?yōu)檠a償電流，并前饋到平臺的電流環(huán)中，驅(qū) 動電機產(chǎn)生與不平衡擾動大小相等，方向相反的驅(qū)動力矩。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的慣性穩(wěn)定平臺不平衡擾動的抑制方法，其特征在于：所述的 步驟（2)中擾動觀測器由平臺的標稱模型和低通濾波器組成，其中，在標稱模型的設(shè)計中， 由于慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)中電流環(huán)帶寬遠大于速率環(huán)，可以將電流環(huán)看作比例環(huán)節(jié)，因此被 控對象可以表示為
K為電機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，N為傳動比，J為平臺轉(zhuǎn)動慣量。 因為Gtl(s)為真有理分式，平臺的標稱模型的逆Gr1P)往往難以實現(xiàn)，所以引入低通濾波器 Q(s)使得泛(I)CT1Cr)成為真有理分式。在低通濾波器的設(shè)計中，相對階次是主要需要考慮 的參數(shù)。因為低通濾波器的相對階次應(yīng)該大于或者等于被控對象的相對階次，而平臺被控 對象的相對階次為一階，所以低通濾波器Q(s)的相對階次也應(yīng)至少為一階；又因為低通濾 波器的相對階次越大，系統(tǒng)算法計算量越大，魯棒性也越差，所以低通濾波器的相對階次不 能太大。綜合考慮以上兩點，可以設(shè)計低通濾波器的相對階次等于平臺被控對象的階次，即
。通過標稱模型估計出慣性穩(wěn)定平臺受到的不平衡擾動，同時利用低通濾波器 抑制高頻噪聲，將觀測到的不平衡擾動反饋到平臺系統(tǒng)中，實現(xiàn)對不平衡擾動的抑制。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的慣性穩(wěn)定平臺不平衡擾動的抑制方法，其特征在于：所述的 步驟（3)中前饋+擾動觀測器的綜合控制方法包括前饋控制器和擾動觀測器，其中，前饋控 制器通過比例環(huán)節(jié)將不平衡擾動轉(zhuǎn)變?yōu)檠a償電流，并前饋到平臺的電流環(huán)中，驅(qū)動電機產(chǎn) 生與不平衡擾動大小相等，方向相反的驅(qū)動力矩；同時，擾動觀測器通過平臺的標稱模型可 以估計出慣性穩(wěn)定平臺受到的不平衡擾動，以及平臺系統(tǒng)中存在的不平衡擾動建模誤差和 其它擾動，并且利用低通濾波器抑制高頻噪聲，將觀測到的不平衡擾動反饋到平臺系統(tǒng)中， 實現(xiàn)對不平衡擾動的抑制。
【文檔編號】G01C21/18GK104374390SQ201410465207
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】李明, 李潔 申請人:北京航空航天大學