一種插件式加速度反饋的快反鏡光束穩定控制方法與流程
本發明屬于光電系統跟蹤控制領域，具體的涉及一種插件式加速度反饋的快反鏡光束穩定控制方法，用于簡化系統加速度控制設計，提升系統擾動抑制能力。
背景技術：
快反鏡作為光學精密跟蹤控制系統的核心部件已經廣泛應用于長距離激光通信、自適應光學、太空望遠鏡系統等前沿光學系統上。隨著應用領域的不斷擴大，其逐漸被安裝在航天器、飛機、汽車等運動平臺上。運動平臺上基座的擾動會直接傳遞到快反鏡鏡面上，從而降低偏轉光束的穩定跟蹤精度，極大的破化系統性能。運動載體上的擾動為寬頻段，傳統的控制方法主要是依靠陀螺和ccd傳感器進行快反鏡慣性穩定，但其抗擾能力有限，無法滿足更高要求的穩定控制要求。隨著加速度計的發展，其具有體積小、重量輕、功耗小的優勢，使加速度計在快反鏡上的應用成為可能。文獻《inertialsensor-basedmulti-loopcontroloffaststeeringmirrorforlineofsightstabilization》(opticalengineering，vol(55)，2016)利用加速度計、陀螺和ccd實現三環穩定，提高了快反鏡穩定能力。但是，這里由于快反鏡的加速度對象特性中存在兩次微分，對于加速度環中的控制器而言，要進行全補償無法實現，從而導致其加速度控制器在設計上有一定的困難，在工程上使用局限較大。
技術實現要素：
針對當前快反鏡擾動抑制控制方法存在的不足，本發明的目的是提供一種插件式加速度反饋的快反鏡光束穩定控制方法，簡化控制框架和控制器設計，進一步提升系統性能。該方法的核心思想是在陀螺和ccd雙閉環實現后，把加速度傳感器用作對擾動的觀測補償，然后直接消除對基座擾動加速度的影響。由于加速度計具有體積小、帶寬高的天然優勢，而擾動觀測思想方法本身對對象的辨識帶寬要求較高，因此這實現了傳感器和控制方法的優勢疊加，效果較好。由于此方法在設計上與外環獨立，也就是內加速度環的實現和外陀螺位置環互不影響，因此此方法可以作為插件在必要的時候直接接入系統而不會對系統特性造成損傷，從而被稱作插件式加速度反饋控制方法。在控制框架上，該方法需要的僅僅是加速度對象特性和一個近乎常數的加速度控制器，簡化了控制流程和控制器設計，避開了傳統加速度反饋方法的精確零極點補償，使該方法在工程實現上更具有優勢。該方法依舊利用了反饋的思想，在理論上增強的系統的魯棒性。
為實現本發明的目的，本發明提供一種插件式加速度反饋的快反鏡光束穩定控制方法，其具體實施步驟如下：
步驟(1)：在快反鏡跟蹤控制系統中安裝加速度計、陀螺慣性傳感器和ccd位置傳感器，用以測量快反鏡的偏轉角加速度、角速度和角位置量。慣性傳感器的采樣頻率一般較高，主要是用以實現一個高帶寬線性內環，為外環提供一個線性被控對象；
步驟(2)：通過頻率響應測試儀對平臺的加速度、速度頻率對象特性進行測試，輸入為控制器輸出值，輸出為傳感器采樣值，通過對所測得的對象進行辨識，最終獲得對象模型ga(s)和gv(s)；
步驟(3)：在獲取到被控對象模型gv(s)基礎上，設計內環速度控制器cv(s)實現速度反饋閉環，然后再次通過頻率響應測試儀測試速度內環閉環后的對象模型，輸入為給定位置，輸出為ccd量，此對象模型為外環被控對象模型，稱為gp(s)，然后可設計ccd環控制器cp(s)，這樣就構成了傳統的雙閉環控制；
步驟(4)：添加插件式加速度反饋控制，首先把速度控制器cv(s)的輸出驅動量除直接送給硬件驅動外，還同時送出給一個虛擬對象
步驟(5)：把該估計外部擾動量輸入到加速度反饋控制器中則輸出得到真實前饋量，最后把該前饋量直接加入速度控制器的給定中，如此便實現了整體的插件式加速度反饋控制。
其中，步驟(3)中內環速度控制器cv(s)和外環ccd位置控制器cp(s)都設計為pi控制器，其模型參考如下：
其中，kp為比例增益，ki為積分增益。
其中，步驟(4)中由于加速度計對中高頻敏感，所以其所測得的對象精度較高，可以認為虛擬對象和真實對象相當。另外，所觀測的外部擾動量由于是基于加速度計所得，所以觀測得到的擾動量是擾動力矩量。
其中，步驟(5)中前饋控制器c′a(s)理論上為一個常數當量，但是由于所觀測的數據包含一定噪聲，因此，c′a(s)設計為如下帶一階濾波環節的控制器模型：
其中，tf為濾波器濾波帶寬因子。當前饋補償器設計為如上模型后，整個反饋回路的擾動抑制能力呈現高通濾波特性，從而有力的提高系統的低頻誤差抑制能力，也就是中低頻跟蹤性能。
本發明與現有技術相比具有如下優點：
(1)相對傳統的直接加速度反饋控制方法，該發明采用基于擾動觀測器的思想，避開直接采用零極點補償的控制器設計方式，能有效的減少加速度環的實現難度，優化了控制結構，提升其在實際工程中的實用性；
(2)該方法中加速度反饋的實現對外部速度位置環無影響，設計時獨立，作為一個插件可選擇性的加入到控制回路中，提高了系統在不同情況下的適應性；
(3)該方法可有效提高系統的中頻誤差抑制性能，提升系統魯棒性，滿足實際工程對穩定精度的需求。
附圖說明
圖1是本發明的一種插件式加速度反饋的快反鏡光束穩定控制方法的控制框圖；
圖2是本發明的一種插件式加速度反饋的快反鏡光束穩定控制方法的誤差抑制對比圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細說明。
如附圖1所示是一種插件式加速度反饋的快反鏡光束穩定控制方法的控制框圖，其中包括內部加速度反饋閉環、陀螺速度閉環和ccd位置外環。本方法的核心思想是在加速度環中引入擾動觀測器，利用模型估計出擾動力矩，然后進行反饋補償。由于對控制框圖的優化，理論上加速度計可設計為一個常數控制器。采用所述方法實現閉環控制的具體實施步驟如下：
步驟(1)：在快反鏡跟蹤控制系統中安裝加速度計、陀螺慣性傳感器和ccd位置傳感器，用以測量快反鏡的偏轉角加速度、角速度和角位置量。慣性傳感器的采樣頻率一般較高，主要是用以實現一個高帶寬線性內環，為外環提供一個線性被控對象；
步驟(2)：通過頻率響應測試儀對平臺的加速度、速度頻率對象特性進行測試，輸入為控制器輸出值，輸出為傳感器采樣值，通過對所測得的對象進行辨識，最終獲得對象模型ga(s)和gv(s)；
步驟(3)：在獲取到被控對象模型gv(s)基礎上，設計內環速度控制器cv(s)實現速度反饋閉環，然后再次通過頻率響應測試儀測試速度內環閉環后的對象模型，輸入為給定位置，輸出為ccd量，此對象模型為外環被控對象模型，稱為gp(s)，然后可設計ccd環控制器cp(s)，這樣就構成了傳統的雙閉環控制；
步驟(4)：添加插件式加速度反饋控制，首先把速度控制器cv(s)的輸出驅動量除直接送給硬件驅動外，還同時送出給一個虛擬對象
步驟(5)：把該估計外部擾動量輸入到加速度反饋控制器中則輸出得到真實前饋量，最后把該前饋量直接加入速度控制器的給定中，如此便實現了整體的插件式加速度反饋控制。
其中，步驟(3)中內環速度控制器cv(s)和外環ccd位置控制器cp(s)都設計為pi控制器，其模型參考如下：
其中，kp為比例增益，ki為積分增益。
其中，步驟(4)中由于加速度計對中高頻敏感，所以其所測得的對象精度較高，可以認為虛擬對象和真實對象相當。另外，所觀測的外部擾動量由于是基于加速度計所得，所以觀測得到的擾動量是擾動力矩量。
其中，步驟(5)中前饋控制器c′a(s)理論上為一個常數當量，但是由于所觀測的數據包含一定噪聲，因此，c′a(s)設計為如下帶一階濾波環節的控制器模型：
其中，tf為濾波器濾波帶寬因子。當前饋補償器設計為如上模型后，整個反饋回路的擾動抑制能力呈現高通濾波特性，從而有力的提高系統的低頻誤差抑制能力，也就是中低頻跟蹤性能。
下面以一快反鏡跟蹤平臺實驗系統為例對本發明的設計過程和效果進行詳細說明：
(1)通過頻率響應測試儀測出系統的加速度和速度被控對象模型分別為如下
(2)然后可設計內環速度控制器為cv(s)和外環ccd控制器cp(s)實現傳統雙環閉環，其中ccd頻率為50hz，延時為3幀(60ms)；
(3)在完成傳統雙閉環的基礎上，設計插件式加速度反饋控制器，通過理論可計算出加速度控制器增益為0.65，濾波帶寬可設計到100hz左右，因此真實的加速度控制器可設計為如下；
(4)如圖2是本發明的擾動抑制能力對比圖。在相同情況下，可以明確看出在采用基于擾動觀測器的加速度反饋閉環控制后，系統的在低頻的誤差抑制能力和傳統的三閉環方法相當，但是在中頻的誤差抑制能力大大提高，同時保證系統穩定特性，延續了高頻的誤差抑制能力。
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