一种基于双滤波器扰动观测器的惯性回路窄带大幅值扰动抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双滤波器扰动观测器的惯性回路窄带大幅值扰动抑制方法，用于惯性稳定平台存在窄带大幅值外界扰动时，满足更高精度惯性稳定的需求。本发明专利技术在多闭环控制基础上，在惯性回路中提出了基于双滤波器扰动观测器的窄带大幅值扰动抑制方法。为了抑制窄带大幅值扰动，滤波器一被设计为陷波效果的扰动抑制特性。但滤波器一受到稳定性约束，其陷波效果的扰动抑制特性被削弱，陷波中心点偏移。在本发明专利技术中滤波器一的基础上，滤波器二不受稳定性约束，可以用于纠正被偏移的陷波中心点，补全系统扰动抑制特性，达到准确抑制外界窄带大幅值扰动的目的，能有效提升系统的惯性稳定精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双滤波器扰动观测器的惯性回路窄带大幅值扰动抑制方法
本专利技术属于惯性稳定控制领域，具体的涉及一种基于惯性回路的双滤波器扰动观测器方法，主要用于准确抑制外界窄带大幅值扰动，进一步有效提升惯性稳定平台的稳定精度。
技术介绍
在控制设备中，惯性稳定系统的惯性稳定精度会受到外界扰动的影响，如地面振动和空气流动引起的摄动都会给惯性稳定系统带来扰动。尤其是安装在如飞机，汽车，轮船等运动平台上的惯性稳定设备，会由于安装载体的不规则运动导致稳定平台受到大量扰动。当惯性稳定平台安装在运动平台上时，外界的扰动量可以被直接传感器测量，且扰动往往存在窄带大幅值的特性，极大地降低了系统的惯性稳定精度。在传统控制方法的控制策略是采用多闭环控制，《ApplicationofMEMSAccelerometersandGyroscopesinFastSteeringMirrorControlSystems》以MEMS加速度计，光纤陀螺和图像传感器CCD分别作为加速度、速度和位置传感器来获得惯性稳定平台的动态数据，建立加速度、速度、位置多闭环的控制结构来提升系统的扰动抑制能力。但是此方法没有专门处理扰动的控制器，遇到强扰动时，容易扰动抑制效果差甚至系统不稳定。在此基础上，文献《MEMSInertialSensors-BasedMulti-LoopControlEnhancedbyDisturbanceObservationandCompensationforFastSteeringMirrorSystem》将传统的单滤波器扰动观测器引进到加速度环，利用专门的扰动控制器在惯性回路进一步提升了系统的扰动抑制特性。但是此方法不能针对性地准确抑制窄带大幅值的外界扰动，使得实际的扰动抑制效果粗糙低效。为了准确抑制窄带大幅值的外界扰动，提升系统的惯性稳定精度，需要提出具有基于惯性回路能准确抑制窄带大幅值扰动的控制方法。
技术实现思路
为有效提高运动平台上惯性稳定平台的稳定精度，满足更高精度的惯性稳定需求，本专利技术提出了一种基于双滤波器扰动观测器的惯性回路窄带大幅值扰动抑制方法，本方法对外界扰动直接测量并进行频域分析，得到外界窄带大幅值扰动的特征信息，用于设计陷波器。在闭环后的惯性回路，根据陷波器和稳定性约束，设计滤波器一用于抑制窄带大幅值扰动，但是受限于稳定性约束，陷波中心点发生偏移。在滤波器一满足稳定性约束的基础上，结合惯性回路闭环控制器，本专利技术的滤波器二不受到稳定性约束。因此滤波器二可以用于纠正偏移的陷波中心点，补全系统的扰动抑制特性，准确抑制窄带大幅值扰动，提升系统的惯性稳定精度。为实现本专利技术的目的，本专利技术提供一种基于双滤波器扰动观测器的惯性回路窄带大幅值扰动抑制方法，其方法步骤如下：步骤(1)：在惯性稳定平台的两偏转轴上分别安装惯性传感器，可以使用陀螺或加速度计，用来测量平台两轴在惯性空间的角速度或角加速度；步骤(2)：通过频率响应测试仪DSA对平台的加速度频率对象特性进行测试，DSA输入为驱动输入值，DSA输出为加速度计采样值，从而获得加速度环被控对象Ga(s)的数学模型加速度环被控对象的数学模型可以表示为如下：其中N(s)和D(s)是互质且无不稳定特征根的传递函数，s2表示被控对象的数学模型有2个纯微分环节；步骤(3)：在获取到对象模型基础上，设计加速度控制器Ca(s)如下：其中ai和bj是控制器参数，有j-1≥i，控制器Ca(s)中含有一个纯积分环节，可以削弱被控对象Ga(s)中纯微分环节的影响；步骤(4)：在惯性稳定平台受到的外界扰动量可以直接测量的情况下，使用另外的加速度计对扰动量进行一段时间的测量，对测量结果进行快速傅立叶变换(FFT)处理，得到外界扰动量的幅值频率图；步骤(5)：对外界扰动量的幅值频率图进行分析，得到窄带大幅值外界扰动的主频率分布点ωi，以主频率点ωi作为参数之一，设计陷波器T(s)如下：其中ωi为外界窄带大幅值扰动的主频率点，λi用于设计陷波器T(s)的陷波宽度，αi用于设计陷波器T(s)的陷波深度。步骤(6)：令滤波器二Q2(s)＝0，进行双滤波器扰动观测器的滤波器一Q1(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；滤波器一Q1(s)的稳定性约束条件可以表示为：其中表示被控对象Ga(s)和其数学模型之间的不确定性；步骤(7)：设计双滤波器扰动观测器方法的滤波器一Q1(s)；令滤波器二Q2(s)＝0，在满足稳定性约束的条件下，根据陷波器T(s)设计扰动抑制特性为陷波效果的滤波器一Q1(s)如下：其中n为大于零的常数，且满足步骤(8)：在滤波器一Q1(s)满足其稳定性约束条件的情况下，令滤波器二Q2(s)≠0，进行双滤波器扰动观测器中滤波器二Q2(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；滤波器二Q2(s)的稳定性约束条件可以表示为：其中EDSA(s)是滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)同时作用给系统带来的扰动抑制特性提升部分，且满足因此在滤波器一Q1(s)满足稳定性约束的条件下，滤波器二Q2(s)和滤波器一Q1(s)共同抑制扰动时，滤波器二Q2(s)不受到系统稳定性约束；步骤(9)：设计双滤波器扰动观测器方法的滤波器二Q2(s)；令滤波器二Q2(s)≠0，在滤波器一Q1(s)满足稳定性约束的情况下，也就是滤波器一Q1(s)牺牲部分扰动抑制性能，陷波中心点偏移后，再使用滤波器二Q2(s)纠正陷波中心点，补全扰动观测器的扰动抑制特性；设计滤波器二Q2(s)为：其中LP(s)为截止频率高的低通滤波器，用来补足滤波器二Q2(s)的分母阶次，使其成为因果系统；步骤(10)：在惯性回路单闭环的基础上，使用双滤波器扰动观测器方法，滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)同时作用；在双滤波器扰动观测器的滤波器二Q2(s)＝0时，滤波器一Q1(s)和传统的单滤波器扰动观测器的稳定性约束相同，用于抑制窄带大幅值扰动的时候，其陷波中心点会发生偏移，扰动抑制特性被削弱；双滤波器扰动观测器的滤波器二Q2(s)≠0时，在滤波器一Q1(s)满足稳定性约束的条件下，滤波器二Q2(s)不存在稳定性约束，可以充分发挥灵活性，纠正偏移后的陷波中心点，补全系统的扰动抑制特性，可以提供准确的陷波效果抑制特性，从而提升系统的惯性稳定精度。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)相比于传统多闭环控制方法，本专利技术从惯性回路出发，对窄带大幅值的外界扰动提出针对性抑制方法，可以有效抑制特定频率的窄带大幅值扰动，有效提升系统稳定精度；(2)相比于在多闭环中引入传统的单滤波器扰动观测器的控制方法，传统的单滤波器扰动观测器的滤波器受到系统稳定性的约束，会导致陷波中心点偏移，本专利技术中的双滤波器扰动观测器可以纠正陷波中心点的偏移；(3)本专利技术可以实现对窄带大幅值扰动的准确抑制，能有效提升运动平台上的惯性稳定设备的稳定精度，实用性好，易于实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双滤波器扰动观测器的惯性回路窄带大幅值扰动抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤(1)：在惯性稳定平台的两偏转轴上分别安装惯性传感器，可以使用加速度计，用来测量平台两轴在惯性空间运动的角加速度；/n步骤(2)：通过频率响应测试仪DSA对平台的加速度频率对象特性进行测试，DSA输入为驱动输入值，DSA输出为加速度计采样值，从而获得加速度环被控对象G

【技术特征摘要】
1.一种基于双滤波器扰动观测器的惯性回路窄带大幅值扰动抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：在惯性稳定平台的两偏转轴上分别安装惯性传感器，可以使用加速度计，用来测量平台两轴在惯性空间运动的角加速度；
步骤(2)：通过频率响应测试仪DSA对平台的加速度频率对象特性进行测试，DSA输入为驱动输入值，DSA输出为加速度计采样值，从而获得加速度环被控对象Ga(s)的数学模型
步骤(3)：在获取到对象模型基础上，设计加速度控制器Ca(s)实现加速度闭环；
步骤(4)：在惯性稳定平台受到的外界扰动量可以直接测量的情况下，使用另外的加速度计对扰动量进行一段时间的测量，对测量结果进行快速傅立叶变换(FFT)处理，得到外界扰动量的幅值频率图；
步骤(5)：对外界扰动量的幅值频率图进行分析，得到窄带大幅值外界扰动的主频率分布点ωi，以主频率点ωi作为参数之一，设计陷波器T(s)；
步骤(6)：令滤波器二Q2(s)＝0，进行双滤波器扰动观测器的滤波器一Q1(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；
步骤(7)：设计双滤波器扰动观测器方法的滤波器一Q1(s)；令滤波器二Q2(s)＝0，在满足稳定性约束的条件下，根据陷波器T(s)设计扰动抑制特性为陷波效果的滤波器一Q1(s)；
步骤(8)：在滤波器一Q1(s)满足其稳定性约束条件的情况下，令滤波器二Q2(s)≠0，进行双滤波器扰动观测器中滤波器二Q2(s)的稳定性分析，得到的约束条件用来约束其参数设计；
步骤(9)：设计双滤波器扰动观测器方法的滤波器二Q2(s)；令滤波器二Q2(s)≠0，在滤波器一Q1(s)满足稳定性约束的情况下，也就是滤波器一Q1(s)牺牲部分扰动抑制性能，陷波中心点偏移后，再使用滤波器二Q2(s)纠正陷波中心点，补全扰动观测器的扰动抑制特性；
步骤(10)：在惯性回路单闭环的基础上，使用双滤波器扰动观测器方法，滤波器一Q1(s)和滤波器二Q2(s)同时作用；滤波器一Q1(s)牺牲了部分性能确保了系统的稳定性，使得陷波中心点发生偏移；滤波器二Q2(s)在滤波器一Q1(s)的基础上纠正了偏移的陷波中心点，补全了扰动观测器的扰动抑制特性，从而可以准确抑制窄带大幅值的扰动，有效提升系统的惯性稳定精度。


2.根据权利要求1所述的一种基于双滤波器扰动观测器的惯性回路窄带大幅值扰动抑制方法，其特征在于：步骤(1)中使用的是惯性传感器，包括用于测量惯性角速度的陀螺和测量惯性角加速度的加速度计。


3.根据权利要求1或2所述的一种基于双滤波器扰动观测器的惯性回路窄带大幅值扰动抑制方法，其特征在于：步骤(2)中的被控对象是惯性回路的被控对象，其特点是被控对象的数学模型中含有纯微分环节，采用加速度计作为惯性传感器时，被控对象的数学模型可以表示为如下：



其中N(s)和D(s)是互质且无不稳定特征根的传递函数，s2表示被控对象的数学模型有2个纯微分环节。


4.根据权利要求1所述的一种基于双滤波器扰动观测器的惯性回路窄带大幅值扰...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛耀，邓久强，张超，任戈，谭毅，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51