【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及自动控制，具体地说，尤其涉及一种大型天线伺服控制系统的阵风扰动补偿方法。
技术介绍
1、天线作为发送和接收信号的重要探测工具，在现代航天、国防等领域的应用中起到举足轻重的作用。在通信应用中，精确的指向能够确保信号的准确传输和接收；在雷达和天文观测中，对目标或天体的探测跟踪需要精确的指向，因此对大型天线伺服控制系统的指向精度要求非常高。然而，由于大型天线体积大且多位于地势较高且空旷的地带，因此容易受到较多外部干扰，其中阵风扰动的影响尤为明显。另一方面，大口径天线机械结构具有一定的柔性特征，这对天线动态模型的建立以及基于模型的扰动补偿带来了实质性的困难。
2、大型天线的抗风扰补偿策略可大体分为两类，一类为被动抑制扰动，这类方法主要考虑改善天线的结构设计；第二类方法为主动控制方法，指的是采取各种控制策略对风扰产生的影响进行补偿。被动抑制方法主要有外圈实体反射面网状化，通过减小反射面迎风面积减小风载；建设天线隔离罩，阻隔风扰等外部干扰对主反射面影响；天线的高刚度设计，增加天线刚度以抵抗风扰导致的结构变形。这些被动抑制方法能减少风扰，但高刚度设计以及天线罩等方法成本极高，且对于大型天线难以应用，从结构设计等方面进行改进也难以解决现有天线的风扰问题。
3、主动控制补偿方法在天线转轴伺服系统中设计控制器进行补偿，常见策略是设计lqg(线性二次高斯)、h∞(h无穷控制器)等先进控制算法来提升天线伺服系统的性能，这类方法能够一定程度提高天线伺服系统的指向精度和抗干扰能力，但在设计过程中没有充分考虑风扰特性来进
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于解决现有大型天线伺服控制系统受到阵风扰动对指向精度产生影响的问题，提供一种大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，通过在大型天线反射面加装传感装置，测量风扰引起的天线主反射面振动，建立扰动通道模型，并依据主控通道模型和扰动通道模型设计基于模型匹配的最优前馈控制器，实现对大型天线风扰的最优补偿。该方法计算量小，易于实现，且补偿精度高，鲁棒性强。
2、为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
3、一种大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，包括以下步骤：
4、s1.构建天线伺服控制系统，系统包括控制单元、被控天线、执行机构、反馈测量装置和扰动测量装置，在天线伺服控制系统闭环运行时采集系统输出信号和扰动测量信号；
5、s2.对天线伺服控制系统进行开环风扰实验，建立扰动通道模型，获得从扰动测量信号到系统开环输出的离散传递函数；
6、s3.设定执行机构与被控天线的主控通道模型，利用风扰信号频率特性、扰动通道模型和主控通道模型进行前馈控制设计，前馈控制根据扰动测量信号产生前馈补偿控制量；
7、s4.控制单元根据系统输出信号通过反馈控制产生反馈控制量，在执行机构的输入端，反馈控制量叠加补偿控制量，实现对风扰的有效前馈补偿。
8、进一步地，步骤s1中，被控天线为二自由度抛物面天线，执行机构为伺服电机，反馈测量装置为天线轴上的伺服电机编码器，扰动测量装置为均匀安装于天线主反射面的多个惯导传感器；
9、控制单元用于设定指令信号、采集传感器数据、计算和发送控制率，伺服电机编码器用于精确测量并反馈天线的实际位置，惯导传感器用于测量风扰引起的天线主反射面振动速度。
10、进一步地，控制单元包括反馈控制器和前馈控制器，反馈控制器采用pi控制器，反馈控制器根据天线指令信号与伺服电机编码器测量信号的偏差，输出反馈控制率至伺服电机，驱动伺服电机调整天线的指向；前馈控制器根据扰动测量信号计算前馈控制率，用于补偿天线受到风扰所产生的指向偏差。
11、进一步地，步骤s2中，对天线伺服控制系统进行开环风扰实验，通过惯导传感器测量阵风所引起的天线主反射面振动，通过伺服电机编码器测量得到天线轴上的位置输出，根据惯导传感器和伺服电机编码器的测量数据建立扰动通道模型，扰动通道的离散传递函数表示为：
12、
13、式中，d(z)为惯导传感器测量信号d(k)的z变换，yd(z)为伺服电机编码器测量得到的位置输出yd(k)的z变换，pd(z)为z域扰动通道的离散传递函数，k表示第k采样时刻。
14、进一步地，步骤s3中，主控通道模型的离散传递函数表示为：
15、
16、式中，u(z)为执行机构控制输入u(k)的z变换，yu(z)为反馈控制器输出引起的电机轴编码器位置输出yu(k)的z变换，p(z)为z域主控通道模型的离散传递函数。
17、进一步地，前馈控制器加入系统后，由风扰引起的闭环系统输出被划分为两部分之和，一部分是风扰的直接作用，另一部分是前馈控制器对风扰测量信号作出的响应，此时系统闭环输出表示为：
18、
19、式中，c(z)为z域反馈控制器的离散传递函数，cf(z)为z域的前馈控制器的传递函数；y(z)为z域的系统闭环输出；d(z)为z域的风扰信号。
20、进一步地，设计前馈控制器时，考虑风扰信号的频率特性，将风扰信号建模为白噪声信号通过阵风扰动频谱，风扰信号表示为：
21、d(z)＝prbs(z)wd(z)
22、式中，prbs(z)为伪随机信号prbs(k)的z变换，wd(z)为z域的阵风扰动频谱；
23、将前馈控制器设计指标j定义为最小化风扰引起的闭环系统输出的h2范数，考虑到风扰产生的扰动信号为随机扰动，在h2范数指标下讨论扰动抑制问题，针对具有频谱为wd的阵风扰动，前馈控制器设计指标等价为：
24、minj＝min||(pd(z)+cf(z)p(z))wd(z)||2
25、前馈控制根据扰动测量信号所产生的前馈补偿控制量在z域的输出为：
26、uf(z)＝cf(z)d(z)。
27、进一步地，对前馈控制器设计指标进行变换为：
28、min||[pd(z)+cf(z)p(z)]wd(z)||2
29、＝min||[pd(z)+cf(z)pin(z)pout(z)]wout(z)win(z)||2
30、＝min||pin(z)[pd(z)pin-1(z)+cf(z)pout(z)]wout(z)win(z)||2
31、＝min||[pd(z)pin-1(z)+cf(z)pout(z)]wout(z)||2×||pin(z)||2×||win(z)||2
32、＝min||pd(z)pin-1(z)wout(z)+cf(z)pout(z本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，步骤S1中，被控天线为二自由度抛物面天线，执行机构为伺服电机，反馈测量装置为天线轴上的伺服电机编码器，扰动测量装置为均匀安装于天线主反射面的多个惯导传感器；
3.根据权利要求2所述的大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，控制单元包括反馈控制器和前馈控制器，反馈控制器采用PI控制器，反馈控制器根据天线指令信号与伺服电机编码器测量信号的偏差，输出反馈控制率至伺服电机，驱动伺服电机调整天线的指向；前馈控制器根据扰动测量信号计算前馈控制率，用于补偿天线受到风扰所产生的指向偏差。
4.根据权利要求3所述的大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，步骤S2中，对天线伺服控制系统进行开环风扰实验，通过惯导传感器测量阵风所引起的天线主反射面振动，通过伺服电机编码器测量得到天线轴上的位置输出，根据惯导传感器和伺服电机编码器的测量数据建立扰动通道模型，扰动通道的离散传递函数表
5.根据权利要求4所述的大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，步骤S3中，主控通道模型的离散传递函数表示为：
6.根据权利要求5所述的大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，前馈控制器加入系统后，由风扰引起的闭环系统输出被划分为两部分之和，一部分是风扰的直接作用，另一部分是前馈控制器对风扰测量信号作出的响应，此时系统闭环输出表示为：
7.根据权利要求6所述的大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，设计前馈控制器时，考虑风扰信号的频率特性，将风扰信号建模为白噪声信号通过阵风扰动频谱，风扰信号表示为：
8.根据权利要求7所述的大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，对前馈控制器设计指标进行变换为：
9.根据权利要求8所述的大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，前馈控制器设计仅采用稳定部分Z2(z)，确保前馈控制器的稳定运行，并同时满足系统性能要求；此外还引入低通滤波器，确保前馈控制器的传递函数为正则有理函数；
10.根据权利要求9所述的大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，前馈控制器接收扰动测量信号作为输入，并输出补偿控制量，补偿控制量与反馈控制器输出的反馈控制量进行叠加，将叠加的控制量输入至天线的伺服电机，实现最优的前馈补偿，叠加的控制量表示为：
...【技术特征摘要】
1.一种大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，步骤s1中，被控天线为二自由度抛物面天线，执行机构为伺服电机，反馈测量装置为天线轴上的伺服电机编码器，扰动测量装置为均匀安装于天线主反射面的多个惯导传感器；
3.根据权利要求2所述的大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，控制单元包括反馈控制器和前馈控制器，反馈控制器采用pi控制器，反馈控制器根据天线指令信号与伺服电机编码器测量信号的偏差，输出反馈控制率至伺服电机，驱动伺服电机调整天线的指向；前馈控制器根据扰动测量信号计算前馈控制率，用于补偿天线受到风扰所产生的指向偏差。
4.根据权利要求3所述的大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，步骤s2中，对天线伺服控制系统进行开环风扰实验，通过惯导传感器测量阵风所引起的天线主反射面振动，通过伺服电机编码器测量得到天线轴上的位置输出，根据惯导传感器和伺服电机编码器的测量数据建立扰动通道模型，扰动通道的离散传递函数表示为：
5.根据权利要求4所述的大型天线伺服控制阵风扰动分析及前馈补偿方法，其特征在于，步骤s3中，主控通道模型...
【专利技术属性】
技术研发人员：卢洁莹，张根鼎，涂颢华，苏为洲，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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