在高频共振约束条件下，用于惯性参考单元快速位置对准的复合控制技术

《Mechanical Systems and Signal Processing》：Composite control technology for rapid position alignment of inertial reference unit under high-frequency resonant constraints

复合控制结构抑制惯性参考单元多源异质干扰的研究，提出噪声抑制PID控制器、两阶带通干扰观测器和带通前馈分支的复合架构，实现161Hz控制带宽、18ms响应时间和0.876μrad指向精度的优化。

　　

涂伟晓|王天宇|李行飞

天津大学，精密测量技术与仪器国家重点实验室，中国

摘要

惯性参考单元（IRU）在光学跟踪和指向系统中用于隔离基底角振动。它面临着多源异构干扰，特别是高频共振，这些干扰限制了高增益控制器的使用。为了实现快速准确的位置对齐，本文提出了一种基于干扰频率特性的IRU位置控制复合控制结构。该结构整合了噪声衰减PID（NA-PID）控制器、两级带通干扰观测器（2sDOB）和带通前馈分支，其性能通过仿真和实验得到了验证。结果表明，NA-PID将位置控制带宽扩展到了161 Hz，而不会激发高频共振。2sDOB消除了由低频共振引起的阶跃响应振荡，实现了18.0 ms的稳定时间和0.876 μrad RMS的指向精度。改进的前馈分支将基底角振动抑制带宽提高到了51.1 Hz。

引言

在深空激光通信中，精确的光学指向和跟踪至关重要[1]。平台振动会降低指向精度[2]。被动隔离对高频干扰有效，而主动跟踪则用于处理低频振动。然而，性能受到接收器带宽的限制。抑制中频干扰仍然具有很大挑战性[3]。为了解决这个问题，复合跟踪系统使用惯性参考单元（IRU）和快速转向镜（FSM）来稳定视线（LOS），从而减轻角抖动[4]。IRU是一个双轴稳定平台，以闭环形式运行，以隔离基底角振动[5]。

IRU的平台通过柔性支撑和电磁执行器与基底机械连接。操作轴的低刚性引入了低频和高频机械共振，这不可避免地放大了传感器和执行器的噪声，相应地限制了可实现的反馈增益[6]。当IRU在基底振动下进行精确和快速的位置对齐时，这种限制尤为明显[7]。此外，还面临着许多其他干扰，包括50 Hz的电源线干扰和宽带驱动器/传感器噪声[8]。上述多源干扰分布在不同的频段，严重影响系统性能。需要采取措施有效处理这些多源、异构的干扰[9]。

基于干扰观测器（DOB）的方法已被广泛用于处理系统干扰[10]。标准DOB通过将传感器测量的实际输出与标称模型的响应进行比较来生成干扰估计。偏差被转换为电压维度，然后在闭环的前向路径中减去[11]。为了确保可行性，通常将标称模型的逆与低通滤波器级联。这种方法已在参考文献[12]中用于抑制FSM位置控制中的干扰。然而，它只能抑制低频干扰，甚至可能放大高频传感器噪声[13]。参考文献[14]比较了经典DOB、噪声观测器（NOB）和噪声减少干扰观测器（NR-DOB）在处理IRU系统的多源异构干扰时的效果。结果表明，传统的基于DOB的方法无法达到令人满意的性能。因此，DOB的改进引起了学者的关注[15]。参考文献[15]将DOB与NOB结合使用，以增强10 Hz以下的干扰抑制能力。参考文献[16]采用两个基于低频滤波器的级联DOB，以增强低频抑制。然而，并联设计导致低频干扰抑制和高频噪声抑制之间的固有耦合。参考文献[17]使用由多个子滤波器组成的并行滤波器与标称模型的逆级联。然而，上述并行结构仍然在单个观测器框架内运行。此外，这种方法要求子滤波器的通带之间有严格的频谱分离。交叉频率干扰会降低系统的鲁棒性。参考文献[18]根据AR模型自适应估计干扰频率，以调整DOB中带通滤波器的参数。然而，其单级结构只能抑制单频干扰，而且基于陷波器的带通滤波器的构造难以提高10 Hz以上的干扰抑制能力。

控制器设计对系统闭环性能也至关重要，特别是在IRU系统所需的高保真度命令跟踪中。主要挑战是高控制器增益会激发高频结构共振，这严重影响系统的鲁棒性。参考文献[19]在ADRC框架中使用NOB来减少环路噪声并提高指向精度。然而，由于噪声敏感性，带宽被限制在50 Hz以内。参考文献[20]使用了不完全的差分PID，实现了110 Hz的带宽。参考文献[21]提出了一个可变增益PI用于频率依赖的干扰抑制。然而，上述工作中没有考虑外部干扰。另一种提高控制性能的方法是在反馈环路中添加前馈路径，以进一步提高外部干扰抑制性能。DOB被视为等效的前馈方法[22]，但其稳定性不如在基底上添加前馈传感器[23]所实现的。参考文献[24]使用光纤陀螺仪（FOG）作为云台系统的前馈传感器。1 Hz以下的抑制性能得到了显著提升。然而，云台系统的特性与IRU系统有很大不同。

上述分析表明，IRU系统遇到了多源、异构的干扰。此外，高频结构共振从根本上限制了控制器增益和观测器带宽。本文提出了一种用于IRU位置对齐的复合控制架构。所提出的方法采用了级联带通滤波器（BPF）架构，其中两个DOB阶段具有不同的中心频率和带宽参数。该设计通过将抑制增益集中在BPF的中心频率上，专门针对窄带高幅度干扰。级联结构由于顺序干扰消除逻辑而消除了滤波器耦合。创新性地提出了噪声衰减PID（NA-PID）控制器。将NOB嵌入PID控制器的导数通道中，以抑制由导数项放大的高频传感器噪声，同时保持比例和积分作用以优化跟踪性能。基于带通滤波器的前馈路径确保了基底角振动的直接抑制。所提出的方法能够在控制带宽、指向精度、瞬态响应和干扰抑制能力方面实现平衡改进，实验验证表明其性能优于现有控制方法。

部分摘录

工作原理

IRU系统架构如图1所示，包括两种工作模式：位置对齐模式和惯性稳定模式。四个涡流位移传感器（ECDS）安装在基底和平台之间。在位置模式下，ECDS测量基底和平台之间的相对角位移。这些测量结果与输入命令进行比较，对结果误差进行处理后生成驱动电压

复合控制结构

所提出的算法由三部分组成：两级带通DOB、噪声衰减PID控制器和前馈分支。它们的工作原理和控制框图将在本部分介绍。

仿真分析

图8所示的复合控制结构在Simulink中实现，以验证所提出的方法。标称模型是在系统与方程（4）中所示的陷波器串联后识别的二阶模型。传递函数为：$G_{\text{n}}\left(s\right)=\frac{\text{2.657}\times {\text{10}}^5}{s^2+526.3s+4.821\times {\text{10}}^4}$

仿真中使用的系统模型是根据方程（2）中所示的公式构建的。用于模拟高频共振的二阶部分的参数列在表2中。

实验设置

IRU原型的实验设置如图18所示。IRU安装在一个由CoreMorrow制造的N50单轴角振动台上，该振动台用于生成1–70 Hz频率范围内的正弦振动，以模拟基底干扰。传感器和VCM由连接到专用电源的线性驱动器供电。实验中使用的控制架构与仿真中使用的控制架构相同，两者都以相同的采样率运行

结论

惯性参考单元（IRU）是隔离光电跟踪和指向系统中基底角振动的高效解决方案，适用于深空激光通信。在实际卫星平台上，IRU必须应对覆盖广泛频率范围的多源干扰，包括内部执行器和传感器噪声、结构共振以及外部环境扰动，同时满足快速和精确定位的严格要求

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（62203322）、天津市自然科学基金（项目编号24JCQNJC01630）以及天津市青年科学技术人才（第三层次）的支持。