[发明专利]一种基于H∞原理的扰动观测器的吊舱系统的扰动补偿方法

说明书

本发明提出了一种基于H∞原理的扰动观测器的吊舱系统的扰动补偿方法，用于消除吊舱系统中机械耦合、摩擦以及外界扰动对系统稳定性的影响。该方法通过在吊舱系统的速度内回路中加入扰动观测器，由于扰动观测器的补偿效果取决于标称模型的建模精度和前馈滤波器的设计，而摩擦环节会引起对象的不确定变化。基于H∞的扰动观测器可以保证在吊舱平台特性变化时，依旧具有良好的扰动抑制能力。

技术领域

本发明属于抗扰控制领域，具体涉及一种基于H∞原理的扰动观测器的吊舱系统的扰动补偿方法。

背景技术

在目标测量和量子空间通信等科学领域，由俯仰方位两轴构成的两自由度吊舱系统都有大量地应用。为了隔离载体或环境对吊舱系统带来的扰动，采用陀螺作为测量反馈原件形成速度反馈回路来抵制外界的力矩扰动，实现系统的惯性稳定。为该系统由图像探测器构成的外回路实现对目标的高精度指向和跟踪，提供充分的稳定条件。然而，吊舱面临的扰动不仅有外界扰动，还会受到自身的摩擦特性和机架两轴之间的耦合影响。吊舱在不同的工作条件下，由于摩擦和耦合的同时影响，一定会引起系统动态特性的改变。尤其是摩擦扰动属于一种非线性扰动，难以通过数学建模的方式精确地刻画出来。但总体而言在动平台下，吊舱面临的最大扰动源还是外界振动产生的力矩扰动。

吊舱也可称为一种机架结构。为了补偿摩擦产生的影响，现有技术将时滞估计方法与二自由度内模控制相结合，有效地补偿了系统面临的非线性摩擦。近几年，一些学者将一些先进的控制算法应用到机架系统以提高系统的扰动抑制能力。也有学者在两轴机架系统引入基于PID型的自调节模糊控制器，可以实现在不同工作环境中都有良好的适应性，与传统的PI控制器相比，也具备更少的响应时间、更小的超调。但是其控制方式设计复杂，且扰动抑制带宽不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在吊舱闭环系统中引入DOB后，如何保证在吊舱的对象模型发生摄动时DOB自身的鲁棒性，以及对闭环系统的鲁棒性。

本发明基于扰动估计和补偿的思想，在吊舱的速度控制回路引入扰动观测器(DOB)控制结构，来实现系统扰动抑制比的提高。将在DOB结构中观测出来的扰动量视为吊舱系统面临的外界扰动、内部的摩擦扰动、耦合力矩以及建模误差的总和。然而，吊舱模型的摄动会导致DOB可能破坏闭环系统的稳定性。因此，我们进一步地，提出了一种通过在不确定影响的约束条件下，基于H∞范数原理设计的DOB的低通滤波器的方法。最终不仅实现了扰动抑制比的提升，还保证DOB自身以及对闭环系统的鲁棒稳定性能。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于H∞原理的扰动观测器的吊舱系统的扰动补偿方法，一种基于H∞原理的扰动观测器的吊舱系统的扰动补偿方法，包括：

步骤一、将吊舱系统面临的机械耦合、摩擦和外界扰动归结成一个总扰动，而不分别进行补偿；

步骤二、在吊舱系统的速度回路和电路回路之间引入标准的扰动观测器结构，扰动观测器包括真实平台的标称模型和前馈滤波器Q，其中滤波器Q是基于H∞原理设计得到的。

其中的，所述基于H∞原理设计扰动观测器的Q滤波器的方法步骤具体如下：

步骤1、根据图2描述的典型的DOB结构，定义DOB的灵敏度函数S_DOB和互补灵敏度函数T_DOB为：

其中，Δ表示对象的摄动量，它的变化幅值的绝对值要求小于1，P_n表示实际平台的标称模型。为了便于简化分析，进一步假定Δ＝0，那么S_DOB＝1-Q，T_DOB＝Q。此时，DOB的信号关系可表示为：

y＝P_nu-Qξ-P_n(1-Q)d (3)