二自由度伺服云台系统的耦合辨识和解耦控制设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种二自由度伺服云台系统的耦合辨识和解耦控制设计方法，首先生成正交伪随机信号，将其输入二自由度伺服云台系统，同时采集两轴速度输出端的输出信号；然后构造输入输出信号矩阵，使用子空间辨识算法对双输入双输出系统进行辨识，得到系统的俯仰轴、方位轴子系统模型及轴间耦合子系统模型；再使用平衡截断法对各子系统进行降阶，得到低阶子系统模型；基于低阶耦合子系统模型，使用模型匹配法进行解耦前馈控制器设计，得到前馈控制器；最后对前馈控制器做出改进，使其分子阶次小于或等于分母阶次，得到最终的可物理实现的解耦前馈控制器。本发明专利技术可以有效抑制二自由度伺服云台系统由于轴间耦合引起的俯仰轴的震动。

Coupling identification and decoupling control design method of two degree of freedom servo pan tilt system

【技术实现步骤摘要】
二自由度伺服云台系统的耦合辨识和解耦控制设计方法
本专利技术涉及伺服系统控制
，特别涉及一种二自由度伺服云台系统的耦合辨识和解耦控制设计方法。
技术介绍
对于伺服云台系统，由于其结构中有许多柔性模态及非线性结构，导致系统存在多个谐振频点，而二自由度伺服云台系统，更是容易引起轴间耦合，增大系统复杂性。对一些高精度性能需求的伺服云台控制设计，往往由于耦合的存在，造成云台双轴运动时，其中一条轴的运动会对另一条轴产生震动的影响，从而不利于对伺服云台系统的高精度控制设计。针对多变量耦合系统的解耦控制问题，目前主要有两类方法：1)线性化解耦控制；2)补偿解耦控制。线性化解耦控制又可分为智能线性化方法和状态反馈线性化方法。智能线性化解耦控制方法不依赖于系统的动力学模型，主要有神经网络解耦、最小二乘支持向量机、模糊解耦等，智能线性化解耦普遍存在的问题是控制算法复杂，调参过程麻烦，需要占用大量计算资源；状态反馈线性化解耦相对智能解耦较简单，被广泛应用于复杂非线性系统的解耦控制，其主要可分为动态逆系统解耦和微分几何解耦，动态逆系统解耦要求系统具有可逆性，而微分几何解耦则需要保证系统可以化为仿射变换模型。补偿解耦控制的方法主要基于系统的精确数学模型，通过计算或辨识出耦合模型，然后进行反馈或前馈补偿控制，但是这种方法需要预先知道对象参数，再对补偿器、控制器等进行设计，导致最终控制效果往往与所辨识模型参数有很大关系，模型参数很大程度上决定了控制效果的好坏。对于二自由度伺服云台系统的解耦控制设计，控制器主要通过嵌入式单片机实现，其要求实时性较高，为保证控制周期内有效的控制效果，控制方法如智能算法，计算量过于庞大，设计时需反复调参训练，在实时性要求较高的伺服系统中往往难以发挥作用。而对于状态反馈的解耦方法，其设计过程较复杂，且无法针对频域特性进行设计，不利于对系统各频段性能进行分析。因此，对于解耦控制，尤其是高级解耦控制，无论是在理论研究，还是在开发应用等方面都还有很多工作要做。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种二自由度伺服云台系统的耦合辨识和解耦控制设计方法，该方法可以有效抑制二自由度伺服云台系统由于轴间耦合引起的俯仰轴的震动，为其单轴精确控制设计提供一定保证。本专利技术的第二目的在于提供一种存储介质。本专利技术的第三目的在于提供一种计算设备。本专利技术的第一目的通过下述技术方案实现：一种二自由度伺服云台系统的耦合辨识和解耦控制设计方法，步骤如下：S1、生成正交伪随机信号，将其输入二自由度伺服云台系统，同时采集两轴速度输出端的输出信号；S2、构造输入输出信号矩阵，使用子空间辨识算法对双输入双输出系统进行辨识，得到系统的俯仰轴、方位轴子系统模型及轴间耦合子系统模型；S3、使用平衡截断法对各子系统进行降阶，得到低阶子系统模型；S4、基于低阶耦合子系统模型，使用模型匹配法进行解耦前馈控制器设计，得到前馈控制器；S5、对前馈控制器做出改进，使其分子阶次小于或等于分母阶次，得到最终的可物理实现的解耦前馈控制器。优选的，在步骤S1中，正交伪随机信号的生成过程如下：S11、选择m序列作为伪随机信号，生成幅值为a的m序列p(k)，k＝1,2,...,Np，Np为该m序列的长度；S12、构造Hadamard矩阵得到信号hi(k)，i＝1,2，其中，h1取自H中第一列元素，h2取自H中第一列元素，hi周期为Nh；S13、由下式生成正交伪随机信号ui，i＝1,2，其周期长度为N＝NpNh：ui(k)＝hi(k)p(k)；hi(k)＝hi(k+vNh)，v＝1,2,3,...；p(k)＝p(k+vNp)。更进一步的，在步骤S2中，根据正交伪随机信号u1和u2以及两轴速度输出端的输出信号y1和y2构造输入输出信号矩阵U和Y：其中，u(k)＝(u1(k)u2(k))，k＝1,2,...,m，m为输入输出信号矩阵的阶；使用子空间辨识算法对双输入双输出系统进行辨识，先由输入输出信号矩阵U和Y计算得到特定矩阵，再从特定矩阵的行子空间或列子空间中获得双输入双输出系统状态方程矩阵(A,B,C,D)，其中，A为n×n矩阵，B为n×2矩阵且B＝(B1B2)，C为2×n矩阵且D一般为零矩阵，n为系统阶次；由系统的状态方程分别计算得到系统的俯仰轴子系统模型(A,B1,C1)、方位轴子系统模型(A,B2,C2)及轴间耦合子系统模型(A,B1,C2)、(A,B2,C1)，子系统的阶次均为A矩阵的阶n。更进一步的，双输入双输出系统阶次由主元分析理论确定。更进一步的，在步骤S3中，使用平衡截断法对各子系统进行降阶，得到低阶子系统模型，设计方法如下：S31、按以下Lyapunov方程计算子系统的可控Gram矩阵P和可观Gram矩阵Q：AP+PAT+BBT＝0；ATQ+QA+CTC＝0；S32、对P进行Cholesky分解:P＝RTR，其中，R为上三角阵；S33、对RQRT进行奇异值分解：并令较小的奇异值σ为0，构造平衡变换矩阵T＝RTUdiag(σ1,σ2,...,σn)；S34、为了避免之后前馈控制器设计时阶次过大的问题，应保证子系统传递函数G11(s)和G21(s)、G12(s)和G22(s)具有相同极点，故分别以(A,B,C1)和(A,B,C2)作为子系统，通过下式进行降阶：再求出各低阶子系统S35、由下式得到各低阶子系统的传递函数G11(s)、G12(s)、G21(s)和G22(s)：其中，s为传递函数的自变量；I为单位矩阵。更进一步的，耦合模型G12(s)、G21(s)的阶次通过对耦合子Hankel矩阵进行奇异值分解来确定。更进一步的，在步骤S4中，使用模型匹配法进行解耦前馈控制器设计，设计方法如下：S41、寻找一个稳定的传递函数F(s)，使G2-FG1的∞范数最小，G1、G2为模型匹配函数：||G2-FG1||∞→min；S42、确定G1(s)的零点为zc、zd，c,d＝1,2,...n，并定义bc＝G2(zc),bd＝G2(zd)，然后构造如下矩阵Am，Bm，其第cd个元素的Am(cd)，Bm(cd)为：S43、计算最大特征值的平方根，并令其等于γopt；S44、构建如下NP问题：z1...zn使用Nevanlinna算法得到该NP问题的解Q(s)，计算出前馈控制器F(s)：以G12、G22作为所需设计模型匹配函数G1、G2，使用以上方法计算得到的前馈控制器F(s)记为F1(s)，以G11、G21作为所需设计模型匹配函数G1、G2，使用以上方法计算得到的前馈控制器F(s)记为F2(s)。更进一步的，在步骤S5中，对前馈控制器做出改进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二自由度伺服云台系统的耦合辨识和解耦控制设计方法，其特征在于，步骤如下：/nS1、生成正交伪随机信号，将其输入二自由度伺服云台系统，同时采集两轴速度输出端的输出信号；/nS2、构造输入输出信号矩阵，使用子空间辨识算法对双输入双输出系统进行辨识，得到系统的俯仰轴、方位轴子系统模型及轴间耦合子系统模型；/nS3、使用平衡截断法对各子系统进行降阶，得到低阶子系统模型；/nS4、基于低阶耦合子系统模型，使用模型匹配法进行解耦前馈控制器设计，得到前馈控制器；/nS5、对前馈控制器做出改进，使其分子阶次小于或等于分母阶次，得到最终的可物理实现的解耦前馈控制器。/n

【技术特征摘要】
1.一种二自由度伺服云台系统的耦合辨识和解耦控制设计方法，其特征在于，步骤如下：
S1、生成正交伪随机信号，将其输入二自由度伺服云台系统，同时采集两轴速度输出端的输出信号；
S2、构造输入输出信号矩阵，使用子空间辨识算法对双输入双输出系统进行辨识，得到系统的俯仰轴、方位轴子系统模型及轴间耦合子系统模型；
S3、使用平衡截断法对各子系统进行降阶，得到低阶子系统模型；
S4、基于低阶耦合子系统模型，使用模型匹配法进行解耦前馈控制器设计，得到前馈控制器；
S5、对前馈控制器做出改进，使其分子阶次小于或等于分母阶次，得到最终的可物理实现的解耦前馈控制器。


2.根据权利要求1所述的二自由度伺服云台系统的耦合辨识和解耦控制设计方法，其特征在于，在步骤S1中，正交伪随机信号的生成过程如下：
S11、选择m序列作为伪随机信号，生成幅值为a的m序列p(k)，k＝1,2,...,Np，Np为该m序列的长度；
S12、构造Hadamard矩阵得到信号hi(k)，i＝1,2，其中，h1取自H中第一列元素，h2取自H中第一列元素，hi周期为Nh；
S13、由下式生成正交伪随机信号ui，i＝1,2，其周期长度为N＝NpNh：





3.根据权利要求2所述的二自由度伺服云台系统的耦合辨识和解耦控制设计方法，其特征在于，在步骤S2中，根据正交伪随机信号u1和u2以及两轴速度输出端的输出信号y1和y2构造输入输出信号矩阵U和Y：






其中，u(k)＝(u1(k)u2(k))，k＝1,2,...,m，m为输入输出信号矩阵的阶；
使用子空间辨识算法对双输入双输出系统进行辨识，先由输入输出信号矩阵U和Y计算得到特定矩阵，再从特定矩阵的行子空间或列子空间中获得双输入双输出系统状态方程矩阵(A,B,C,D)，其中，A为n×n矩阵，B为n×2矩阵且B＝(B1B2)，C为2×n矩阵且D一般为零矩阵，n为系统阶次；
由系统的状态方程分别计算得到系统的俯仰轴子系统模型(A,B1,C1)、方位轴子系统模型(A,B2,C2)及轴间耦合子系统模型(A,B1,C2)、(A,B2,C1)，子系统的阶次均为A矩阵的阶n。


4.根据权利要求3所述的二自由度伺服云台系统的耦合辨识和解耦控制设计方法，其特征在于，双输入双输出系统阶次由主元分析理论确定。


5.根据权利要求3所述的二自由度伺服云台系统的耦合辨识和解耦控制设计方法，其特征在于，在步骤S3中，使用平衡截断法对各子系统进行降阶，得到低阶子系统模型，过程如下：
S31、按以下Lyapunov方程计算子系统的可控Gram矩阵P和可观Gram矩阵Q：
AP+PAT+BBT＝0；
ATQ+QA+CTC＝0；
S32、对P进行Cholesky分解：P＝RTR，其中，R为上三角阵；
S33、对RQRT进行奇异值分解：并令较小的奇异值σ为0，构造平衡变换矩阵T＝RTUdiag(σ1,σ2,…,σn)；
S34、为了避...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈燕坤，苏为洲，谭敏哲，闻成，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44