CN110609470A - 一种基于过渡过程的抗积分饱和设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于过渡过程的抗积分饱和设计方法，属于光电***跟踪控制领域。针对常用的双闭环控制方法在跟踪阶跃参考信号时出现的积分饱和现象，导致***输出超调过大和稳定性下降的问题，本发明针对积分饱和现象，提出设计过渡过程的方法。在将过渡过程与双闭环控制方法有效结合后，达到抗积分饱和的目的，在保持了双闭环跟踪阶跃参考信号快速性的同时，提升了***的平稳性，解决了跟踪时出现的大超调问题。并通过在光电跟踪***的实验，验证了该方法的有效性。
Description
技术领域
本发明属于光电***跟踪控制领域，具体涉及一种基于过渡过程的抗积分饱和设计方法，将过渡过程应用于双闭环控制方法中，有效解决输入受限现象，充分提高光电***的跟踪性能。
背景技术
光电跟踪***包括主控、伺服、图像、信号传输等分***，伺服***在接收到主控单元发送的目标位置信号后，驱动电机进行定点跟踪；在控制过程中，随着***误差的减小，目标将逐渐出现在跟踪传感器上。其控制***通常由速度内环和位置外环构成双闭环结构。其中速度内环的作用是得到一个线性度较好的速度控制环，以克服***的摩擦以及其它干扰的影响；外环则根据目标相对于跟踪传感器上的跟踪偏差量完成闭环，以此实现对目标的跟踪控制。在实际控制***中，为了消除静态误差，控制器一般会包含积分环节，位置偏差量在经过控制器解算后得到控制器输出；而执行机构的电机易受电流、转速等因素的限制，由积分造成实际被控对象的输入有时会和控制器的输出不等的现象，这种现象被称为积分饱和。因此当偏差量出现幅值较大的情况时，使用双闭环控制方法极易造成积分饱和现象，如果***在设计过程中不考虑这种非线性因素的影响，将会造成***在大范围给定突变情况下出现大超调现象，甚至造成***不稳定。近年来，各国学者对积分饱和现象进行了大量细致地研究，目前解决积分饱和的方法主要采用反计算思想，将控制器的输出与被控对象的输入之差作为反馈信号构成反馈支路来加以消除，达到抑制输入受限的目的。
本发明所提基于过渡过程的抗积分饱和设计方法是对跟踪参考信号进行操作，通过将瞬变的阶跃信号变为缓变的上升信号，从而重新构造跟踪参考信号，同时不需改变双闭环控制器参数，以此达到抗积分饱和的目的，解决双闭环跟踪大偏差信号的大超调问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对光电跟踪控制***的双闭环控制方法，当面对大偏差信号的跟踪任务时，控制算法易陷入积分饱和现象。***需要抗积分饱和，在不改变原来双闭环控制快速性的跟踪效果条件下降低超调现象。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种基于过渡过程的抗积分饱和设计方法，其具体步骤为：
步骤(1)、***利用惯性传感器完成一个速度闭环，用于克服外部扰动以及提高***的线性度；
步骤(2)、***在速度闭环的基础上，设计位置控制器Cp，利用位置传感器完成位置闭环；
步骤(3)、根据输入信号-阶跃信号设计过渡过程rtp(t)；
其中，所述步骤(3)中，已知阶跃参考信号的幅值为rA，执行机构的电机最大加速度为am，过渡过程表达式如下：
其中
上式中，rtp(t)为最终设计的过渡过程曲线，该曲线是关于时间t的分段函数，t1和tf均为分段函数的分段点；
步骤(4)、通过设计过渡过程，将双闭环对阶跃参考信号的跟踪转化为对过渡过程的跟踪，并通过过渡过程和双闭环控制算法的结合，实现对阶跃参考信号快速平稳地跟踪。
其中，步骤(1)中，惯性传感器是速率惯性传感器，包括微机械陀螺、光纤陀螺中的任意一种；其中速度闭环控制器的设计包括积分环节惯性环节(T为惯性环节转折频率)和机械谐振补偿环节；该速度闭环控制器能有效消除被控对象自身的谐振峰，作为外环闭环的基础；
其中，步骤(2)中，位置传感器为CCD(Charge-coupled Device电荷耦合器件)，位置控制器是一个比例-积分(PI)控制器，(kp,ki分别为比例环节和积分环节系数)，积分环节的存在用于提升***无静差度；
其中，步骤(3)中，控制***执行机构的最大加速度由电机额定参数给出；
利用以上步骤(1)-(4)，即通过设计过渡过程完成抗积分饱和的效果，应用在双闭环跟踪大偏差的阶跃参考信号任务上，在保证跟踪快速性的同时保证跟踪过程的平稳性。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)相对于将控制器的输出与被控对象的输入之差作为反馈信号构成反馈支路的一类方法而言，本发明不需要改变控制器的设计，也就是对任何控制算法都适用；
(2)采用本发明跟踪大偏差阶跃信号，既保证光电***跟踪的快速性，同时又提升***运行过程中的平稳性；
(3)根据阶跃参考信号设计而来的过渡过程，其设计方法简单，工程师易于上手操作，在实际应用中存在很大的普适性；
(4)本发明成本低、计算量小，充分利用***本身的条件，不会给***增加额外的成本、空间、负载和功耗。
附图说明
图1装有微机械陀螺和位置传感器的光电跟踪实验平台；
图2本发明的控制框图；
图3实验平台驱动电机以及负载的物理原理图；
图4***速度模型拟合；
图5***速度闭环bode图；
图6***位置闭环bode图；
图7(a)光电跟踪***跟踪阶跃参考信号效果图；
图7(b)光电跟踪***跟踪阶跃参考信号抗积分饱和图。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求书限定的全部内容；而且通过以下实施例对本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求书的全部内容。
(1)本发明实施例的研究对象为图1所示的光电跟踪实验平台。本发明的控制框图如附图2所示。该框图在对被控对象完成速度-位置双闭环的基础上加入了过渡过程环节，其中Gv(s)为速度被控对象，Cv(s)为速度控制器，Cp(s)为位置控制器，e-Ls为位置传感器的采样延迟环节，r为***接收到的输入信号，rtp为过渡过程信号，θp为位置跟踪误差，θv为速度误差，θ为***输出信号。输入信号r在经过过渡过程处理变为rtp后，经过双闭环控制，最终得到输出信号θ。
下面以基于音圈电机驱动的光电跟踪实验平台在单方向上跟踪过程为例，对其模型进行简化分析，如图3所示。由电路平衡原理可得：
其中Ua为音圈电机的电枢电压，Kb为电机反电势系数，θa为平台的偏转角，Ra为电机电枢回路电阻，Ia为电机电枢回路电流，La为电机电枢回路电感，t为时间。
又由电机力矩平衡方程式可得：
其中Cm为音圈电机的力系数，Ia为电机电枢回路电流，d为弹性支撑到音圈电机中心距离，J为平台的负载转动惯量，θa为平台的偏转角，fm为平台的机械阻尼系数，K为弹性支撑弹性系数，t为时间。
将电路平衡原理及电机力矩平衡方程式合并消除Ia(t)，并通过拉普拉斯变化可得驱动输入电压Ua和输出偏转角度θa的传递函数：
其中s为拉普拉斯算子。
由此可见，平台偏转角度与输入电压的传递模型呈现为一个近似三阶滤波器环节。由于分子为常数，其在低频段，输入电压与输出角度可认为是一个比例特性，这也说明输入电压在物理量纲上对应输出角位置。根据多项式理论，分母的三阶多项式总存在一个实数根，因此平台的位置对象传递函数Gp(s)可以分解为一个比例环节、一个惯性环节和一个二阶振荡环节的串联。
其中，K为惯性环节系数，Te为一阶惯性环节惯性系数，为二阶振荡环节自然频率，ξ为二阶振荡环节阻尼比，s为拉普拉斯算子。
根据位置对象模型Gp(s)可得平台的速度模型为：
其中，K为惯性环节系数，Te为一阶惯性环节惯性系数，为二阶振荡环节自然频率，ξ为二阶振荡环节阻尼比，s为拉普拉斯算子。
(2)附图4显示了***扫频得到实测(原始的状态测得)***的速度传递函数对数频率特性曲线图。其横坐标按lg(ω)(对角速度ω取对数)分度，后期处理为频率lg(f)，单位为Hz；图4上图为幅值-频率曲线，纵坐标按20lg|G(s)|(对传递函数|G(s)|取20倍对数，s为拉普拉斯算子)线性分度，单位是分贝(dB)；
图4的下图为相位-频率曲线，纵坐标按传递函数G(s)相角线性分度，单位为度(°)。
经过图4的对象辨识之后，采用零极点对消原则设计速度环控制器：
控制器分子部分用于对消速度被控对象，惯性环节和(T1,T2均为惯性环节转折频率)为低通滤波器，用于滤除高频噪声，并保证控制器的因果性。速度环在经过5KHz采样频率的闭环处理后，其闭环对数频率特性曲线图如图5所示，从图中可以看出，速度环带宽为70Hz。
(3)附图6显示了***位置闭环后的对数频率特性曲线图。
从图6可以看出，其表现为一个比例环节、一个积分环节串联一个惯性环节的形式，且闭环带宽大约为55Hz。
位置闭环是通过在图5速度闭环的基础上进行位置对象辨识：
然后设计针对位置对象设计PI控制器为：
最后得到在5KHz采样频率下，带宽为54Hz的位置闭环。
(4)以上述步骤(1)(2)(3)生成的双闭环跟踪阶跃信号，阶跃信号幅值为1000，单位为角秒(″)。设计的过渡过程表达式rtp为：
其中am为音圈电机最大加速度，t为时间。
采用双闭环直接跟踪阶跃参考信号与跟踪过渡过程的结果图如图7所示。经过对比，可以看出，通过采用本发明的方法，跟踪过程完全避免了大超调现象的出现，并且没有改变***原有的快速性，控制输出也没有再发生饱和，达到了抗积分饱和的效果。
利用以上四个步骤，即完成通过设计过渡过程达到抗积分饱和的效果，避免***在跟踪大偏差阶跃信号时的大超调现象，在不改变***响应快速性的情况下提升了跟踪的平稳性。本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (5)
1.一种基于过渡过程的抗积分饱和设计方法，应用于光电跟踪控制***，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、***利用惯性传感器完成一个速度闭环，用于克服外部扰动以及提高***的线性度；
步骤(2)、***在速度闭环的基础上，设计位置控制器Cp，利用位置传感器完成位置闭环；
步骤(3)、根据输入信号-阶跃信号设计过渡过程rtp(t)；
其中，所述步骤(3)中，已知阶跃参考信号的幅值为rA，执行机构的电机最大加速度为am，过渡过程表达式如下：
其中
上式中，rtp(t)为最终设计的过渡过程曲线，该曲线是关于时间t的分段函数，t1和tf均为分段函数的分段点；
步骤(4)、通过设计过渡过程，将双闭环对阶跃参考信号的跟踪转化为对过渡过程的跟踪，并通过过渡过程和双闭环控制算法的结合，实现对阶跃参考信号快速平稳地跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种基于过渡过程的抗积分饱和设计方法，其特征在于：步骤(1)中，惯性传感器是速率惯性传感器，包括微机械陀螺、光纤陀螺中的任意一种；其中速度闭环控制器的设计包括积分环节惯性环节(T为惯性环节转折频率)和机械谐振补偿环节；该速度闭环控制器能有效消除被控对象自身的谐振峰，作为外环闭环的基础。
3.根据权利要求1所述的一种基于过渡过程的抗积分饱和设计方法，其特征在于：步骤(2)中，位置传感器为CCD(Charge-coupled Device电荷耦合器件)，位置控制器是一个比例-积分(PI)控制器，(kp,ki分别为比例环节和积分环节系数)，积分环节的存在用于提升***无静差度。
4.根据权利要求1所述的一种基于过渡过程的抗积分饱和设计方法，其特征在于：步骤(3)中，控制***执行机构的最大加速度由电机额定参数给出。
5.根据权利要求1所述的一种基于过渡过程的抗积分饱和设计方法，其特征在于：利用以上步骤(1)-(4)，即通过设计过渡过程完成抗积分饱和的效果，应用在双闭环跟踪大偏差的阶跃参考信号任务上，在保证跟踪快速性的同时保证跟踪过程的平稳性。
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