基于伪前馈改进的Smith预估器的激光跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于伪前馈改进的Smith预估器的激光跟踪控制方法，包括：在包含Smith预估器的激光跟踪系统中设置伪前馈滤波器；通过伪前馈滤波器和Smith预估器得到激光跟踪系统的速度环的给定信号；根据速度环的给定信号，利用激光跟踪系统对目标进行跟踪。本发明专利技术能够在不增加硬件情况下，通过改进控制器结构，对被控对象的模型信息进行复用，充分使用已有信息来改善激光跟踪系统的跟踪能力。已有信息来改善激光跟踪系统的跟踪能力。已有信息来改善激光跟踪系统的跟踪能力。

【技术实现步骤摘要】
基于伪前馈改进的Smith预估器的激光跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及一种基于伪前馈改进的Smith预估器的激光跟踪控制方法，属于激光跟踪系统控制


技术介绍

[0002]在激光跟踪系统中，仪器视轴对目标的持续跟踪建立在图像传感器提取的脱靶量信息上。通常，CCD成像以及图像处理过程都需要较长时间，导致采样率较低，给系统引入了不可忽略的延时。延时会造成控制系统的相位衰减，导致控制器的增益受限，进而导致系统的跟踪性能不足。为了补偿延时对控制系统稳定性的影响，前人将工业中广泛应用的Smith预估器引入激光跟踪系统中，通过系统的模型输出提前反馈，近似将延时从闭环中分离出来，进而提升控制器增益来改善跟踪性能。文献《Improved Smith predictor control for fast steering mirror system》（Iop Conference Series: Earth&Environmental Science, 2017）采用速度闭环作为被控对象模型来构建Smith预估器，增大了控制器增益，提升了快反镜激光跟踪系统的响应速度和跟踪精度。文献《Stabilization Control of Electro
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Optical Tracking System with Fiber
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Optic Gyroscope Based on Modified Smith Predictor Control Scheme》(IEEE Sensors Journal，Vol(18)，2018)将Smith预估器和扰动观测器结构结合，在补偿延时影响的同时，抑制外界扰动对视轴的影响。然而，以上两种方法都是采用经典Smith预估器补偿时滞影响，虽然可以通过提升控制器增益的方式来增强跟踪性能，但是由于Smith预估器建立在内模原理的基础上，系统中不可避免的模型失配依然会限制控制器增益的增大，导致跟踪性能提升有限。

技术实现思路

[0003]为了解决经典的Smith预估器由于存在模型不匹配，控制器增益提升受限而导致激光跟踪系统控制性能不足的问题，本专利技术提出了一种基于伪前馈改进的Smith预估器的激光跟踪控制方法，在经典Smith预估器上额外添加伪前馈支路，继续改善被控对象的低频传递特性，提升激光跟踪系统的低频跟踪性能。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用了如下技术手段：本专利技术提出了基于伪前馈改进的Smith预估器的激光跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：在包含Smith预估器的激光跟踪系统中设置伪前馈滤波器；通过伪前馈滤波器和Smith预估器得到激光跟踪系统的速度环的给定信号；根据速度环的给定信号，利用激光跟踪系统对目标进行跟踪。
[0005]进一步的，所述通过伪前馈滤波器和Smith预估器得到激光跟踪系统的速度环的给定信号的方法如下：通过陀螺仪测量激光跟踪平台的惯性角速度；根据惯性角速度，通过频域拟合得到激光跟踪平台的速度对象模型；
通过CCD图像传感器采集带有时滞的目标脱靶量；根据速度对象模型，设计速度内环控制器C
v
，形成速度闭环；基于速度闭环得到位置被控对象模型，并设计位置外环控制器C
p
，形成位置闭环；根据位置被控对象模型，构建Smith预估器；将目标脱靶量输入Smith预估器，得到Smith预估器合成的中间信号r；对中间信号r进行微分处理，得到被跟踪目标的速度；通过伪前馈滤波器C
f
对被跟踪目标的速度进行滤波去噪后，与Smith预估器的输出叠加，作为速度环的给定信号。
[0006]进一步的，所述速度对象模型的传递函数如下：；其中，K为模型增益，s为复变参量，为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，T
e
为电气时间常数。
[0007]进一步的，根据速度对象模型，采用零极点对消法，设计速度内环控制器C
v
，表达式如下：；其中，K
v
为速度控制器增益，T1为惯性环节时间常数。
[0008]进一步的，根据位置被控对象模型，采用1阶积分模型构建Smith预估器，将目标脱靶量输入Smith预估器，得到Smith预估器合成的中间信号r，方法包括：围绕位置外环控制器C
p
增加负反馈积分环节1/s，形成快速位置环；将位置外环控制器C
p
的输出值经过位置被控对象模型后，与目标脱靶量叠加，得到中间信号r，作为快速位置环的输入。
[0009]进一步的，激光跟踪系统的误差传递函数为：
；其中，S0表示激光跟踪系统的误差传递函数，E为跟踪误差，R为目标输入信号，τ为目标脱靶量的延时，τ
m
为τ的拟合模型，s为复变参量，V为速度内环传递函数，V=C
v
G
v
/(1+C
v
G
v
)，C
v
为速度内环控制器，G
v
为激光跟踪平台上的真实对象；，当s
→
0时，由于，误差传递函数。
[0010]进一步的，伪前馈滤波器被设计为一阶低通滤波器，记为C
f
=1/(1+T
f
s)，其中，T
f
为滤波器时间常数，s为复变参量。
[0011]进一步的，增加了伪前馈支路后，激光跟踪系统的误差传递函数为：；其中，S1表示增加伪前馈支路后激光跟踪系统的误差传递函数，E为跟踪误差，R为目标输入信号，τ为目标脱靶量的延时，τ
m
为τ的拟合模型，s为复变参量，V为速度内环传递函数，V=C
v
G
v
/(1+C
v
G
v
)，C
v
为速度内环控制器，G
v
为激光跟踪平台上的真实对象；，当s
→
0时，由于，C
f
→
1且V
→
1，误差传递函数。
[0012]采用以上技术手段后可以获得以下优势：本专利技术提出了一种基于伪前馈改进的Smith预估器的激光跟踪控制方法，在经典Smith预估器的基础上额外添加伪前馈支路，能够在不增加硬件情况下，通过改进控制器结构，对被控对象的模型信息进行复用，充分使用已有信息来改善激光跟踪系统的跟踪能力，释放激光跟踪系统的潜力，提升系统控制性能。本专利技术方法能够在经典Smith预估器的基础上继续改善被控对象的低频传递特性，提升激光跟踪系统的低频跟踪性能。本专利技术思路清晰，结构简单，工程上易于实现。
附图说明
[0013]图1为本专利技术一种基于伪前馈改进的Smith预估器的激光跟踪控制方法的步骤流程图；图2为本专利技术激光跟踪控制方法的控制框图；图3为本专利技术实施例中得到激光跟踪系统的速度环的给定信号的步骤流程图；图4为本专利技术实施例中不同激光控制方法的误差抑制能力对比图。
具体实施方式...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于伪前馈改进的Smith预估器的激光跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：在包含Smith预估器的激光跟踪系统中设置伪前馈滤波器；通过伪前馈滤波器和Smith预估器得到激光跟踪系统的速度环的给定信号；根据速度环的给定信号，利用激光跟踪系统对目标进行跟踪。2.根据权利要求1所述的基于伪前馈改进的Smith预估器的激光跟踪控制方法，其特征在于，所述通过伪前馈滤波器和Smith预估器得到激光跟踪系统的速度环的给定信号的方法如下：通过陀螺仪测量激光跟踪平台的惯性角速度；根据惯性角速度，通过频域拟合得到激光跟踪平台的速度对象模型；通过CCD图像传感器采集带有时滞的目标脱靶量；根据速度对象模型，设计速度内环控制器C
v
，形成速度闭环；基于速度闭环得到位置被控对象模型，并设计位置外环控制器C
p
，形成位置闭环；根据位置被控对象模型，构建Smith预估器；将目标脱靶量输入Smith预估器，得到Smith预估器合成的中间信号r；对中间信号r进行微分处理，得到被跟踪目标的速度；通过伪前馈滤波器C
f
对被跟踪目标的速度进行滤波去噪后，与Smith预估器的输出叠加，作为速度环的给定信号。3.根据权利要求2所述的基于伪前馈改进的Smith预估器的激光跟踪控制方法，其特征在于，所述速度对象模型的传递函数如下：；其中，K为模型增益，s为复变参量，为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，T
e
为电气时间常数。4.根据权利要求3所述的基于伪前馈改进的Smith预估器的激光跟踪控制方法，其特征在于，根据速度对象模型，采用零极点对消法，设计速度内环控制器C
v
，表达式如下：；其中，K
v
为速度控制器增益，T1为惯性环节时间常数。5.根据权利要求2所述的基于伪前馈改进的Smith预估器的激光跟踪控制方法，其特征在于，根据位置被控对象模型，采用1阶积分模型构建Smith预估器，将目标脱靶量输入
Smith预估器，得到Smith预估器合成的中间信号r，方法包括：围绕位置外环控制器C
...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗勇，刘凯凯，丁宇，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：