基于插入式重复控制的摆动扫描控制系统研究

    在光机扫描型相机中,扫描机构是遥感相机的关键组成部分。对于摆动式扫描机构,扫描线性度和重复度是衡量扫描机构的主要技术指标,是影响整机性能的主要因素,如果扫描线性度和重复度指标不高,会使图像畸变、失真等,严重影响图像的品质[1]。

    线性度是指在给定的最大摆角范围内,摆角与时间的实际特性曲线与理论特性曲线在相应时间的摆角之差,用摆角的最大差值与给定的工作摆角之比的百分数表示;重复度是指运行过程中任何两个摆动周期的摆角与时间特性曲线相应时间的摆角之差,用其最大差值与给定的工作的摆角之比的百分数表示。[2]摆动扫描运动规律是一个事先设定的已知的周期性运动,本文分析了重复控制的原理与稳定条件,并给出了一种基于插入式重复控制的摆动扫描控制器,通过仿真分析,该控制器能够有效的减小稳态跟踪误差,抑制扫描电机换向时片簧冲击下的扫描振荡现象。

    1 重复控制原理

    重复控制是在20世纪80年代初由Inoue等针对连续SISO线性时不变系统,用于高精度跟踪一个周期已知的参考输入而提出的一种学习控制方法。最初的动机和代表性的例子是用于质子加速器激磁电源的控制,尤其是在采用其它控制技术很难获得很高的控制精度的情况下,重复控制因其控制精度高、实现简单以及控制性能的非参数依赖性,很快成为解决周期性外激励信号控制问题的一种有效途径。[3]

    重复控制系统的结构如图1所示,R(s)为参考信号;Y(s)为系统输出;P(s)为原始控制对象;D(s)为扰动信号;C(s)为串联补偿器,可采用相位超前滞后补偿,使系统满足内部稳定的条件。重复控制的开环传递函数e-Ls的延迟时间等于外部周期信号的基波周期。

    式中 Q(s)为一滤波器,用以改善并保证闭环系统的稳定性。

    对于单输入单输出系统来说,图1所示重复控制系统的稳定条件是:

    1)[1+G(s)]-1G(s)是稳定的有理函数矩阵;

    2)|1+G(jX)|>|Q(jX)|,8={X<Xm},为跟随频带。

    则图1这个重复控制系统是指数渐进稳定的。

    本文采用图2所示的插入式重复控制系统结构。

    其中 E(s)误差信号;Ur(s)为重复控制器输出;C(s)、P(s)分别为原始控制器和被控对象的传递函数,一般称G(s)为广义被控对象;Q(s)、B(s)分别为低通滤波器与动态补偿器。

    采用这种结构的优点是:原始控制器的设计和重复控制器的设计相互独立,对于一个没有采用重复控制的系统,不必对重复控制器进行任何修改而仅需要增加一个相加环节就可以将重复控制器/插入0原系统中,从而大幅度的提高系统的稳态精度。