一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法

本发明具体涉及一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法。

背景技术：

1、光电平台稳定控制系统的扰动抑制效果是实现其稳定高精度的关键，尤其是快速变化扰动的抑制效果，直接决定光电平台稳定控制系统的稳定精度。

2、现有技术已经有很多关于扰动抑制的研究，其一类通过测量扰动进行前馈实现扰动补偿，该方法需要额外增加扰动测量传感器，且有些扰动信号无法通过扰动测量传感器直接获取；另外一类则是采用观测器的方法，利用线性扩张状态观测器是一个著名的且有效的方法，该观测器已有大量的应用，尤其是易于工程应用的线性扩张状态观测器，对低频、慢速变化的扰动取得了一定效果，但是其无法兼顾快速性和估计精度，估计时存在静差，对于宽带范围和快速变化的扰动抑制仍然是个挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有扰动抑制技术，无法兼顾快速性和估计精度，难以实现宽带范围观测，且在快速变化扰动中能力不足的技术问题，而提供了一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

4、1】根据光电平台运动模型，得到光电平台稳定控制系统的总和扰动；

5、2】定义光电平台的角速度和总和扰动为光电平台稳定控制系统的状态变量，光电平台驱动电机的控制电流为光电平台稳定控制系统的控制输入，获得光电平台稳定控制系统的扩张状态方程；

6、3】以光电平台的控制电流和角速度为输入，根据步骤2】所得的扩张状态方程，建立线性扩张状态观测器；

7、4】在步骤3】所得的线性扩张状态观测器中串入滑模观测器，获得扩张滑模观测器；

8、5】根据步骤4】中扩张滑模观测器得到总和扰动的观测；

9、6】将步骤5】中所得总和扰动的观测作为光电平台稳定控制系统的内环补偿扰动，并将其与光电平台稳定控制系统的外环控制器输出合成控制量后作为新的控制输入，返回步骤3】，实现光电平台稳定控制系统扰动的观测与补偿。

10、进一步地，步骤1】具体为：

11、1.1、取光电平台驱动电机的转动惯量j与其名义值jn的变化量δj，光电平台驱动电机的力矩系数cm与其名义值cmn的变化量δcm，并将变化量δj和变化量δcm代入光电平台运动模型，得第一表达式：

12、

13、式中，b为摩擦系数；为光电平台的角速度ω(t)的导数；δtd为光电平台驱动电机的扰动力矩；i(t)为光电平台驱动电机的控制电流；

14、1.2、将第一表达式变形得第二表达式：

15、

16、1.3、根据第二表达式得光电平台稳定控制系统的总和扰动d(t)：

17、

18、进一步地，步骤2】具体为：

19、定义光电平台的角速度ω(t)和总和扰动d(t)为光电平台稳定控制系统的t时刻的状态变量x1(t)＝ω(t)，x2(t)＝d(t)，光电平台驱动电机的控制电流i(t)为控制输入u(t)，光电平台稳定控制系统的输出y(t)为变量，获得光电平台稳定控制系统的扩张状态方程：

20、

21、式中，为x1(t)的导数；为x2(t)的导数；p为光电平台稳定控制系统总和扰动d(t)导数的扰动上界。

22、进一步地，步骤3】具体为：

23、定义t时刻线性扩张状态观测器的状态为角速度ω(t)的观测，为总和扰动d(t)的观测，以控制电流i(t)和角速度ω(t)为输入，根据步骤2】所得的扩张状态方程，建立线性扩张状态观测器：

24、

25、式中，β1和β2均为线性扩张状态观测器的系数，β1＝2ωo，β2＝ωo2；ωo为线性扩张状态观测器的带宽。

26、进一步地，步骤4】中，在步骤3】所得的线性扩张状态观测器中串入滑模观测器为：

27、

28、

29、

30、

31、式中，usmo(t)为滑模观测器的观测；σ(t)为滑模观测器的滑模面；为角速度ω(t)的观测误差e1(t)的导数；q为切换增益，且q>0；sgn为开关函数。

32、进一步地，步骤4】中，扩张滑模观测器的表达式为：

33、

34、进一步地，步骤4】中，令

35、扩张滑模观测器的表达式为：

36、

37、式中，usmo1(t)为usmo(t)的微分。

38、进一步地，步骤5】中，总和扰动d(t)的观测为：

39、

40、进一步地，

41、步骤4】中，滑模观测器的观测usmo(t)采用积分型趋近率。

42、进一步地，步骤6】具体为：

43、6.1、光电平台稳定控制系统的外环控制器gc(s)采用pi控制率，则外环控制器gc(s)的输出us(t)为：

44、

45、式中，外环控制器gc(s)的伺服误差es(t)为光电平台稳定控制系统的输入r(t)与光电平台稳定控制系统的输出y(t)之差，kp为外环控制器的比例系数，ki为外环控制器的积分系数；

46、6.2、将光电平台稳定控制系统的内环补偿扰动与光电平台稳定控制系统的外环控制器gc(s)的输出us(t)合成控制量后，作为新的控制输入u(t)：

47、

48、返回步骤3】，实现光电平台稳定控制系统扰动的观测与补偿。

49、本发明的有益效果：

50、1、本发明一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，通过设计扩张滑模观测器，可实现对宽频带范围(大于0-30hz)、快速变化的扰动进行精确估计与补偿，在宽频带范围扰动的补偿精度比现有线性扩张观测器提高55％；首先设计光电平台稳定控制系统线性扩张状态观测器，其次在线性扩张状态观测器中串入滑模观测器，构成扩张滑模观测器对总和扰动的观测，利用滑模观测器的快速切换特性，实现对快速信号的观测；利用线性扩张状态观测器平滑滑模观测器的抖振特性，可提高光电平台对大于0-30hz宽频带范围、快速变化扰动的估计及补偿性能，且该扩张滑模观测器不需要已知扰动上界，仍能稳定工作，解决了现有扰动观测器，观测宽带范围，快速变化扰动能力不足的问题。

51、2、本发明一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法中只需整定观测器带宽和切换增益两个参数，易于工程应用，可用于光电平台稳定控制系统中扰动估计与补偿。

52、3、本发明一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，当已知扰动上界时，扩张滑模观测器收敛，且扩张滑模观测器的扰动迅速收敛于总和扰动。

53、4、本发明一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，与其他常用的滑模观测器需要已知扰动上界不同，当扰动上界未知或切换增益小于扰动上界时，扩张滑模观测器仍然稳定，且估计误差有界，其误差较线性扩张状态观测器误差小。

54、5、本发明一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法中的扩张滑模观测器，利用滑模的快速切换特性，弥补现有扩张观测器对快速扰动观测的不足，可实现对宽带范围、快速变化扰动的估计精度。

55、6、本发明一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，利用线性扩张观测器的平滑滑模的抖振的效应，将抖振的影响作为总和扰动的一部分，通过扩张滑模观测器观测，二者巧妙的结合实现对扰动快速、准确的估计。

56、7、本发明一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，提出的扩张滑模观测器，给出了一种思路，可将扩张观测器结合其他形式的滑模观测器，形成多种形式的扩张滑模观测器。

技术特征：

1.一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，其特征在于，步骤1】具体为：

3.根据权利要求2所述一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，其特征在于，步骤2】具体为：

4.根据权利要求3所述一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，其特征在于，步骤3】具体为：

5.根据权利要求4所述一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，其特征在于，步骤4】中，在步骤3】所得的线性扩张状态观测器中串入滑模观测器为：

6.根据权利要求5所述一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，其特征在于，步骤4】中，所述扩张滑模观测器的表达式为：

7.根据权利要求6所述一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，其特征在于，步骤4】中，令

8.根据权利要求6所述一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，其特征在于，步骤5】中，所述总和扰动d(t)的观测为：

9.根据权利要求8所述一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，其特征在于：

10.根据权利要求9所述一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，其特征在于，步骤6】具体为：

技术总结
本发明具体涉及一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，解决现有扰动抑制技术，无法兼顾快速性和估计精度，难以实现宽带范围观测，且在快速变化扰动中能力不足的技术问题。本发明一种光电平台稳定控制的高动态性能扰动估计及补偿方法，首先设计光电平台稳定控制系统线性扩张状态观测器，其次在线性扩张状态观测器中串入滑模观测器，构成扩张滑模观测器对总和扰动的观测，利用滑模观测器的快速切换特性，实现对快速信号的观测；利用线性扩张状态观测器平滑滑模观测器的抖振特性，可提高光电平台对宽频带范围、快速变化扰动的估计及补偿性能，且该扩张滑模观测器不需要已知扰动上界，仍能稳定工作。

技术研发人员：常三三,曹剑中,陈卫宁,李翔
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23