一种新型扰动观测补偿控制器及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种新型扰动观测补偿控制器，和一种新型扰动观测补偿控制器实现方法。本发明专利技术区别于目前扰动观测与补偿技术中广泛采用的，内模扰动观测补偿和状态空间观测器，引入了自抗扰与内模控制技术结合的方法，辅助分析与设计扰动观测补偿控制器。该新型扰动观测补偿控制器包括系统控制器，还包括扩张状态观测器ESO，被控对象闭环建模模块，以及内模控制器。本发明专利技术解决了由于被控对象模型不确定造成的扰动观测误差，缓解了扰动观测精度和建模精确度之间的矛盾，极大提高了扰动观测与补偿精度，简化了新型扰动观测补偿控制器的设计步骤。这种控制器扰动观测精度高，扰动补偿效果好，设计步骤简单，便于工程实现。便于工程实现。便于工程实现。

【技术实现步骤摘要】
一种新型扰动观测补偿控制器及其实现方法


[0001]本专利技术涉及一种新型扰动观测补偿控制器及其实现方法，应用于光电捕获，跟踪系统例如光电望远镜，属于跟踪控制


技术介绍

[0002]随着科学技术进步，现代光电跟踪系统逐渐走向智能化，基于地基平台的光电跟踪系统已经无法满足现代科学观测的需求，因此基于运动平台的光电跟踪系统，例如车载光电望远镜，船载光电望远镜应运而生。基于运动平台的光电跟踪系统不仅需要解决摩擦扰动，不平衡力矩扰动等系统内部的扰动，同时也面临新的挑战，即是，复杂的载体扰动和环境扰动。具体而言，载体扰动指由于载体运动对光电跟踪系统造成的扰动，例如车体刹车，转弯，船体随波浪起伏，摇摆。而环境扰动则包括，风扰，电磁干扰，温度干扰等。如何有效的抑制这些光电跟踪系统内部，外部的扰动，是基于运动平台的光电跟踪系统面临的难题。
[0003]目前基于运动平台的光电跟踪系统控制器设计方法采用传统PID控制策略，通过对转台的机械与电气特性建模，设计相关PID参数，并通过工程反复调试的方法实现系统的捕获与跟踪控制。传统PID控制对摩擦扰动，风扰等扰动有一定的抑制能力，但由于PID控制器带宽有限，无法更进一步的抑制扰动。于是基于内模的扰动观测与补偿控制器被提出，这种扰动观测与补偿控制器设计步骤简单，能较好的补偿已建模部分的扰动，同时对低频扰动也有较好的抑制效果。但内模控制器对模型敏感，如果模型不准确，内模控制器对扰动的抑制效果将极大减弱。为了解决模型不确定问题，自抗扰控制技术被提出，这种基于扩张观测器的自抗扰技术对被控对象模型不敏感，甚至无需被控对象模型也能观测并补偿扰动，同时观测器的观测带宽可以设计得很宽，因此对中高频扰动和突发扰动也有一定抑制效果。但是，由于事先未知被控对象模型，扩张观测器参数整定困难，无法达到内模控制器对扰动的观测精度。
[0004]目前，内模控制器，如图2，扩张观测器，如图1，能满足大多数场合对扰动的抑制需求，但随着现代科技对光电跟踪系统精度要求越来越高，基于运动平台的光电跟踪系统的扰动越发复杂，无论是内模扰动观测器还是扩张状态观测器都难以满足需求，因此需要研究一种新型的扰动观测与补偿控制器，兼具内模控制器和扩张观测器的优点，即是，对被控对象模型不敏感，对低频，中频段扰动观测精度高，对突发扰动有抑制效果，鲁棒性强，同时这种扰动观测与补偿控制器设计步骤简单，易于工程实现。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术的缺陷或改进需求，本专利技术解决了如下扰动观测与补偿问题：结合现有的内模扰动观测与补偿控制技术和扩张状态空间观测器技术，提出了一种新型扰动观测补偿控制器，缓解了基于运动平台的光电跟踪系统中，扰动观测补偿控制器对被控对象模型的依赖和对扰动观测与补偿的精度之间的矛盾，并提出了一种新型扰动观测补偿
控制器实现方法。新型扰动观测补偿控制器兼具内模控制器和扩张观测器的优点，不依赖被控对象模型，对低频，中频段扰动观测与补偿精度高，对突发扰动有抑制效果，鲁棒性强，同时这种扰动观测与补偿控制器设计步骤简单，易于工程实现。符合当前基于运动平台的光电跟踪系统中扰动抑制又快又准的技术需求，具有较强的自适应性。解决了基于运动平台的光电跟踪系统中，被控对象建模不准确对扰动观测与补偿的影响，拓宽了当前扰动观测与补偿控制器的带宽，对中频扰动，突发扰动也有一定抑制效果。
[0006]本专利技术所解决的技术问题可由以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术提供了一种新型扰动观测补偿控制器，用于光电跟踪系统，包括系统控制器，还包括扩张状态观测器，被控对象建模模块G
p
，被控对象闭环建模模块G
cl
，以及内模控制器C
IMC
，所述被控对象建模模块G
p
的传递函数为：
[0008][0009]其中，s为拉普拉斯算子，a
i
,i＝0,1,2
…
n是该传递函数的分母的系数，b
j
,j＝0,1,2
…
m是该传递函数分子的系数，m与n满足n＞m＞0,(m,n∈N
+
)；
[0010]所述内模控制器C
IMC
为一个带宽为ω
IMC
的二阶低通滤波器，其传递函数为：
[0011][0012]其中，ξ
IMC
为内模控制器的阻尼系数。
[0013]其中，所述系统控制器为PID控制器。
[0014]本专利技术还提供了一种新型扰动观测补偿控制器实现方法，用于光电跟踪系统，其实现步骤包括：(1)通过被控对象频率特性建立被控对象模型G
p
；(2)根据所述被控对象模型G
p
建立被控对象的状态空间模型；(3)根据所述状态空间模型建立基于被控对象的扩张状态观测器ESO；(4)通过被控对象的闭环系统带宽，设置扩张状态观测器的特征方程，并求解观测矩阵L；(5)通过被控对象的闭环系统带宽，建立被控对象闭环模型G
cl
；(6)通过被控对象的闭环系统带宽，建立内模控制器C
IMC
。
[0015]步骤(1)中，通过被控对象频率特性建立所述被控对象模型G
p
，该模型可以不准确，所述被控对象模型G
p
可通过曲线拟合的方法，得到传递函数(1)：
[0016][0017]其中，s为拉普拉斯算子，a
i
,i＝0,1,2
…
n是该传递函数的分母的系数，b
j
,j＝0,1,2
…
m是该传递函数分子的系数，m与n满足n＞m＞0,(m,n∈N
+
)。
[0018]步骤(2)中，将被控对象的状态空间模型设为能控标准型，即通过方程(2)实现：
[0019][0020]其中，x
i
,i＝1,2
…
n为被控对象G
p
的状态变量，为被控对象G
p
的状态变量的导数，y为被控对象的输出，令方程(2)中的各阶导数项的系数为0，即可求得参数h的矩阵方程(3)：
[0021][0022]其中，m与n满足n＞m＞0,(m,n∈N
+
)，
[0023]化简方程(2)为方程(4)：
[0024][0025]其中，D＝0。
[0026]步骤(3)中，首先建立扩张状态扩张状态表示被控对象未建模的部分，以及被控对象内部、外部的扰动，例如摩擦力扰动，不平衡力矩扰动，风扰动，平台扰动，突发扰动等。然后将方程(4)扩张为方程(5)，即可得到被控对象的扩张状态观测器ESO：
[0027][0028]其中，z为状态变量x的估计量，e为状态变量x与状态估计量z之间的误差，为z的导数，L为适当选取的矩阵，即观测矩阵，当满足被控对象可观测时，使矩阵(A
‑
LC)稳定，
H＝(0
ꢀ…ꢀ
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型扰动观测补偿控制器，用于光电跟踪系统，包括系统控制器，其特征在于：还包括扩张状态观测器ESO，被控对象建模模块G
p
，被控对象闭环建模模块，以及内模控制器C
IMC
，所述被控对象G
p
建模模块的传递函数为：其中，s为拉普拉斯算子，a
i
,i＝0,1,2
…
n是该传递函数的分母的系数，b
j
,j＝0,1,2
…
m是该传递函数分子的系数，m与n满足n＞m＞0,(m,n∈N
+
)；所述内模控制器C
IMC
为一个带宽为ω
IMC
的二阶低通滤波器，其传递函数为：其中，ξ
IMC
为内模控制器的阻尼系数。2.根据权利要求1所述的一种新型扰动观测补偿控制器，其特征在于：所述系统控制器为PID控制器。3.一种新型扰动观测补偿控制器实现方法，用于光电跟踪系统，其特征在于，实现步骤如下：(1)通过被控对象频率特性建立被控对象模型G
p
；(2)根据所述被控对象模型G
p
建立被控对象的状态空间模型；(3)根据所述状态空间模型建立基于被控对象的扩张状态观测器ESO；(4)通过被控对象的闭环系统带宽，设置扩张状态观测器的特征方程，并求解观测矩阵L；(5)通过被控对象的闭环系统带宽，建立被控对象闭环模型G
cl
；(6)通过被控对象的闭环系统带宽，建立内模控制器C
IMC
。4.根据权利要求3所述的一种新型扰动观测补偿控制器实现方法，其特征在于：步骤(1)中，所述被控对象模型G
p
通过曲线拟合的方法，得到传递函数(1)：其中，s为拉普拉斯算子，a
i
,i＝0,1,2
…
n是该传递函数的分母的系数，b
j
,j＝0,1,2
…
m是该传递函数分子的系数，m与n满足n＞m＞0,(m,n∈N
+
)。5.根据权利要求4所述的一种新型扰动观测补偿控制器实现方法，其特征在于：步骤(2)中，将被控对象的状态空间模型设为能控标准型，即通过方程(2)实现：
其中，x
i
,i＝1,2
…
n为被控对象G
p
的状态变量，为被控对象G
p
的状态变量的导数，y为被控对象的输出，令方程(2)中的各阶导数项的系数为0，即可求得参数h...

【专利技术属性】
技术研发人员：马荣崎，王强，夏运霞，李锦英，刘翔，史建亮，袁良柱，雷嘉明，黄永梅，谭毅，包启亮，任戈，
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：