[发明专利]一种插件式加速度反馈的快反镜光束稳定控制方法

说明书

技术领域

本发明属于光电系统跟踪控制领域，具体的涉及一种插件式加速度反馈的快反镜光束稳定控制方法，用于简化系统加速度控制设计，提升系统扰动抑制能力。

背景技术

快反镜作为光学精密跟踪控制系统的核心部件已经广泛应用于长距离激光通信、自适应光学、太空望远镜系统等前沿光学系统上。随着应用领域的不断扩大，其逐渐被安装在航天器、飞机、汽车等运动平台上。运动平台上基座的扰动会直接传递到快反镜镜面上，从而降低偏转光束的稳定跟踪精度，极大的破化系统性能。运动载体上的扰动为宽频段，传统的控制方法主要是依靠陀螺和CCD传感器进行快反镜惯性稳定，但其抗扰能力有限，无法满足更高要求的稳定控制要求。随着加速度计的发展，其具有体积小、重量轻、功耗小的优势，使加速度计在快反镜上的应用成为可能。文献《Inertial sensor-based multi-loop control of fast steering mirror for line of sight stabilization》(Optical Engineering，Vol(55)，2016)利用加速度计、陀螺和CCD实现三环稳定，提高了快反镜稳定能力。但是，这里由于快反镜的加速度对象特性中存在两次微分，对于加速度环中的控制器而言，要进行全补偿无法实现，从而导致其加速度控制器在设计上有一定的困难，在工程上使用局限较大。

发明内容

针对当前快反镜扰动抑制控制方法存在的不足，本发明的目的是提供一种插件式加速度反馈的快反镜光束稳定控制方法，简化控制框架和控制器设计，进一步提升系统性能。该方法的核心思想是在陀螺和CCD双闭环实现后，把加速度传感器用作对扰动的观测补偿，然后直接消除对基座扰动加速度的影响。由于加速度计具有体积小、带宽高的天然优势，而扰动观测思想方法本身对对象的辨识带宽要求较高，因此这实现了传感器和控制方法的优势叠加，效果较好。由于此方法在设计上与外环独立，也就是内加速度环的实现和外陀螺位置环互不影响，因此此方法可以作为插件在必要的时候直接接入系统而不会对系统特性造成损伤，从而被称作插件式加速度反馈控制方法。在控制框架上，该方法需要的仅仅是加速度对象特性和一个近乎常数的加速度控制器，简化了控制流程和控制器设计，避开了传统加速度反馈方法的精确零极点补偿，使该方法在工程实现上更具有优势。该方法依旧利用了反馈的思想，在理论上增强的系统的鲁棒性。

为实现本发明的目的，本发明提供一种插件式加速度反馈的快反镜光束稳定控制方法，其具体实施步骤如下：

步骤(1)：在快反镜跟踪控制系统中安装加速度计、陀螺惯性传感器和CCD位置传感器，用以测量快反镜的偏转角加速度、角速度和角位置量。惯性传感器的采样频率一般较高，主要是用以实现一个高带宽线性内环，为外环提供一个线性被控对象；

步骤(2)：通过频率响应测试仪对平台的加速度、速度频率对象特性进行测试，输入为控制器输出值，输出为传感器采样值，通过对所测得的对象进行辨识，最终获得对象模型G_a(s)和G_v(s)；

步骤(3)：在获取到被控对象模型G_v(s)基础上，设计内环速度控制器C_v(s)实现速度反馈闭环，然后再次通过频率响应测试仪测试速度内环闭环后的对象模型，输入为给定位置，输出为CCD量，此对象模型为外环被控对象模型，称为G_p(s)，然后可设计CCD环控制器C_p(s)，这样就构成了传统的双闭环控制；

步骤(4)：添加插件式加速度反馈控制，首先把速度控制器C_v(s)的输出驱动量除直接送给硬件驱动外，还同时送出给一个虚拟对象从而得到一个理想输出加速度量；然后用实际加速度计所测得的加速度值减去这个理想输出量，这样利用一个真实含扰动输出量和一个理想无扰动输出量求差可观测出外部扰动量；

步骤(5)：把该估计外部扰动量输入到加速度反馈控制器中则输出得到真实前馈量，最后把该前馈量直接加入速度控制器的给定中，如此便实现了整体的插件式加速度反馈控制。

其中，步骤(3)中内环速度控制器C_v(s)和外环CCD位置控制器C_p(s)都设计为PI控制器，其模型参考如下：

其中，K_P为比例增益，K_I为积分增益。