一种跟踪系统自适应扰动抑制方法

本发明属于稳定控制领域，具体涉及一种跟踪系统自适应扰动抑制方法，主要用于自适应抑制外界频率变化的窄带大幅值扰动，提升运动平台的抗扰能力和稳定精度。

背景技术：

1、在跟踪控制系统中，系统的稳定性会受到外界的扰动影响，如空气流动、地面震动引起的摄动，尤其是安装在汽车、飞机等运动平台的设备会因载体不规则运动导致跟踪系统受到大量扰动。当跟踪系统安装在运动平台时，外界的扰动量是可以被直接测量的。这些外界变化的窄带大幅值扰动极大降低了系统的稳定精度。文献《mems inertial sensors-based multi-loop control enhanced by disturbance observation and compensationfor fast steering mirror system》(sensors，vol(16)，2016)将扰动观测器方法引入到传统的闭环控制中，提升了系统的扰动抑制能力。但是这种方法只能针对一段特定频率的扰动信号，无法抑制频率变化的扰动信号，因此实际的扰动抑制效果较差。现有技术中，《一种基于惯性回路的窄带大幅值扰动抑制方法》(2019)通过扰动观测器结合fft分析扰动信号的主频，提升了系统的窄带大幅值扰动抑制能力，但这种方法只能抑制特定频率的扰动，且在估计扰动信号频率时没有考虑到嵌入式控制器的性能限制，无法在仅有少量的扰动信号采样数据的情况下准确估计扰动信号的频率。为了抑制变化的窄带大幅值的外界扰动，提升系统的稳定精度，需要提出一种具有针对性的跟踪系统自适应扰动抑制方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种跟踪系统自适应扰动抑制方法，所述方法在系统闭环回路中根据陷波器设计得到扰动观测器的前馈补偿器，由于控制系统的硬件限制与实时性要求，对可测量的外界扰动进行少量的点数采集，并对采集到的离散扰动信号加五项最大旁瓣衰减窗以及做快速傅里叶变换fft计算，通过插值得到扰动信号主频率的准确估计值，根据该估计值调整扰动观测器中陷波器的陷波点。通过数学分析与实验验证，本发明能保证系统稳定的同时，有效抑制变化的窄带大幅值扰动，提升系统稳定精度。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种跟踪系统自适应扰动抑制方法，所述方法包括如下步骤：

4、步骤(1)：通过传感器获得跟踪系统的位置输出量y；

5、步骤(2)：对跟踪系统输入扫频正弦信号，通过分析跟踪系统在扫频正弦信号输入下的输出获得被控对象名义模型是被控对象实际模型g(s)的高度近似；

6、步骤(3)：在被控对象名义模型的基础上，将跟踪系统的位置输入量u与位置输出量y相减，得到位置误差e，采用零极点对消法设计位置闭环控制器c(s)，实现位置闭环；

7、步骤(4)：在位置闭环中添加被控对象名义模型所述位置闭环中传感器测得的输出量包含外界扰动量d，将传感器测得的跟踪系统的位置输出量与被控对象名义模型相减，得到外界扰动量d的估计值将外界扰动量估计值补偿到闭环控制器c(s)的输出端，c(s)的输出量uc与外界扰动量d、外界扰动量估计值叠加为被控对象实际模型g(s)的控制输入量ug；

8、其中，被控对象名义模型如下：

9、

10、上式中，s为复变量，τ为一阶惯性环节的时间常数，ωn为二阶震荡环节的无阻尼固有频率，ζ为二阶振荡环节的阻尼比，k为比例常数。

11、步骤(5)：对位置闭环回路中扰动观测器的前馈补偿器cf(s)进行稳定性分析，根据得到的稳定性约束条件对前馈补偿器cf(s)进行初步设计，并将前馈补偿器cf(s)中的滤波器设计为陷波器t(s)；

12、其中，前馈补偿器cf(s)的稳定性约束条件如下：

13、

14、式中，||.||∞代表无穷范数，这里指的是最大增益；

15、陷波器t(s)的结构如下：

16、

17、其中，ωc为陷波器的中心频率即陷波点，取决于外界扰动的主频率，λ表示用于设计陷波器t(s)的陷波宽度，α表示用于设计陷波器t(s)的陷波深度。位置闭环扰动观测器的前馈补偿器cf(s)的初步设计如下：

18、

19、其中，表示被控对象名义模型的逆。t1(s)、t2(s)、t3(s)表示为满足系统稳定性而补偿的惯性环节，τ1，τ2，τ3分别为对应补偿的惯性环节的时间常数。

20、步骤(6)：当跟踪系统应用于车载、舰载运动平台时，运动平台受到载体运动和流体运动产生的外界扰动，该外界扰动分布在特定的频段。设外界扰动可被测量，通过传感器采集外界扰动量，并对采集到的外界扰动量加五项最大旁瓣衰减窗后做快速傅里叶变换fft与插值计算，得到外界扰动量加窗后的频谱。其中，五项最大旁瓣衰减窗的时域模型如下：

21、

22、式中，m为窗函数的项数，n为采样总点数,am为窗函数的第m项系数；m＝0,1,2,l,m；n＝0,1,2,l,n-1；

23、窄带大幅值扰动的主频率分布点的估计值中ωm的计算公式为：

24、

25、其中，k为fft计算结果的频谱中最大幅值谱线的索引值，fs为扰动信号采样率，δ为通过插值估计出的频率偏移量。

26、步骤(7)：找出频谱的最大幅值谱线与其左侧、右侧谱线，通过插值计算出频率偏移量δ，得到窄带大幅值扰动的主频率分布点的估计值ωm，根据ωm修改cf(s)中陷波器t(s)的陷波点，实现对外界扰动的自适应抑制。

27、频率偏移量δ计算公式如下：

28、

29、其中，|x(k)|为fft计算结果的频谱中最大幅值谱线的幅值，|x(k-1)|与|x(k+1)|分别为最大幅值谱线的左侧谱线幅值和右侧谱线幅值，上式中，中间参量

30、本发明的有益效果在于：

31、本发明引入了对前馈补偿器的稳定性约束，在针对性抑制窄带大幅值扰动时可以有效保证系统的稳定性；相比于标准扰动观测器方法，本发明可以抑制频率变化的窄带大幅值扰动，能有效提高系统的稳定精度。相比于传统的fft离散谱直接频率估计方法，本发明利用五项最大旁瓣衰减加窗插值估计扰动信号频率，在有限的嵌入式控制器硬件资源条件下，提高了频率估计精度，进而提升了系统的扰动抑制能力。本发明可以嵌入到传统的闭环控制回路中，且只改变其扰动抑制能力，不影响本来的设计，实用性好，易于实现，效果明显。

技术特征：

1.一种跟踪系统自适应扰动抑制方法，其特征在于，所述方法包括步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种跟踪系统自适应扰动抑制方法，其特征在于，步骤(4)中被控对象名义模型为

3.根据权利要求2所述的一种跟踪系统自适应扰动抑制方法，其特征在于，步骤(5)中位置闭环回路中扰动观测器的前馈补偿器cf(s)的稳定性约束条件如下：

4.根据权利要求3所示的一种跟踪系统自适应扰动抑制方法，其特征在于，步骤(5)中根据得到的稳定性约束条件对前馈补偿器cf(s)进行初步设计如下：

5.根据权利要求1所述的一种跟踪系统自适应扰动抑制方法，其特征在于，步骤(6)中跟踪系统应用于车载、舰载运动平台时，运动平台受到载体运动和流体运动产生的外界扰动，该外界扰动分布在特定的频段，对采集到的外界扰动量加五项最大旁瓣衰减窗，并对加窗后的数据做快速傅里叶变换fft与插值计算，其中，五项最大旁瓣衰减窗的时域模型如下：

6.根据权利要求1所述的一种跟踪系统自适应扰动抑制方法，其特征在于，步骤(7)得到窄带大幅值扰动的主频率估计值ωm的计算公式为：

技术总结本发明公开了一种跟踪系统自适应扰动抑制方法，属于稳定控制技术领域。所述方法先对前馈补偿器设计提出稳定性约束，在保证系统稳定性的基础上，从扰动观测器方法出发，结合快速傅里叶变换(FFT)与五项最大衰减窗插值方法提高扰动信号频率的估计精度，从而调整扰动观测器中陷波器的陷波点，最终实现自适应抑制外界变化的窄带大幅值扰动。所述方法在有限的嵌入式控制器硬件资源条件下，提高了频率估计精度，进而提升了系统的扰动抑制能力。技术研发人员：王继红,史添元,邓久强,毛耀受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/23