通过集成双补偿器的改进型ADRC实现空间激光指向系统的振动抑制

《Aerospace Science and Technology》：Vibration Suppression for Space Laser Pointing Systems via Improved ADRC Incorporating Dual Compensators

　　钟长林|余万平|王浩林|毛耀中国科学院光学与电子学研究所光场操控科学与技术国家重点实验室，中国成都610209摘要在复杂运行条件下实现视轴稳定的有效振动抑制仍是空间激光指向系统中的关键挑战。作为SLPS的核心稳定单元，惯性稳定平台容易受到振动和结构刚度影响的共同作用，这些因素会导致视轴抖动并降低整体稳定性能。为解决这些问题，本文提出了一种改进的主动干扰抑制控制方案，该方案为SLPS设计了双补偿器。首先，通过引入内部校准器，构建了一种新的IADRC框架，显著提升了对低频振动的抑制效果。其次，用部分带宽补偿器替代传统积分器，进一步增强了扩展状态观测器对低频和中频振动的监测能力。第三，在总扰动回路中并行加入改进的重复频率补偿器，提升了对重复频率振动的检测能力，同时减轻水床效应。最后，对参数选择和输入到状态稳定性进行了分析，通过在SLPS上的实验表明，所提方法可将6赫兹处的共振峰幅度降低至-52.5分贝，通过提升9赫兹处的振动抑制效果使其降低9.4分贝，且在混合频率振动作用下，最大绝对视轴稳定误差从2172.3角秒降至22.2角秒，降幅达99.0%。引言随着航空航天领域自由空间激光及量子通信任务的推进，作为实现远距离窄束传输和高精度对准的关键技术，空间激光指向系统对视轴稳定的要求愈发严格。作为SLPS的核心组件，惯性稳定平台能够提升系统的视轴稳定性能。然而，航天器上各种干扰源产生的振动，如控制力矩陀螺、反应轮、太阳能阵列驱动机构以及其他 onboard组件，都会严重降低ISP的性能。同时，对于采用弯曲铰链的ISP基SLPS而言，其固有的机械特性不可避免地会引发机械共振。当外部振动与系统的固有机械特性相互耦合时，就可能在特定频率处出现强烈的共振，而驱动机制则可能引发长期的重复频率振动，进而导致结构疲劳甚至损坏。此外，有限的刚度往往使得机械共振集中在低频到中频范围内，这大大限制了控制带宽。因此，如何有效抑制振动以确保SLPS的视轴稳定，仍是航空航天工程领域的重大课题。为应对上述挑战，传统做法通常会采用额外的隔离器来进一步抑制振动。尽管这类被动隔离策略能够有效降低振动，但它们在质量、体积和结构复杂性方面的劣势，使得它们并不适合用于超精密的航天器指向系统。因此，无需额外硬件的主动振动控制方法更受青睐。特别是，人们提出了结合加速度计前馈的双环反馈控制策略，以克服带宽限制。此外，还开发了虚拟双环反馈控制方法，无需速度传感器即可提升对低频和中频振动的抑制效果；同时，基于传感器数据融合的级联控制方法也被用于轻量化SLPS的设计。然而，这些基于反馈或级联的策略无法有效补偿复杂的干扰，且在强外部振动作用下，其抑制能力可能不足，从而影响闭环性能甚至威胁系统稳定性。为进一步提升振动抑制效果，人们引入了基于干扰观测器的方法，以更好地抑制低频和中频振动。与传统的级联控制相比，基于干扰观测器的策略能更充分利用高带宽传感器信息。不过，无论是级联控制还是基于干扰观测器的方法，都对模型不确定性较为敏感，而在实际的SLPS应用中，这类不确定性很难完全消除。此外，由于没有充分考虑振动的重复特性，这类方法对重复频率振动的抑制能力也较为有限。对于重复频率振动，作为一种基于内部模型的控制方法，重复控制因其能够在重复频率处提供无限增益并实现零稳态误差而被广泛采用。例如，已有研究将改进型重复控制用于振动抑制，还有研究开发了分数形式重复控制，用于在视轴系统中抑制重复频率振动。然而，根据伯德积分定理，提升特定频率下的性能必然会导致其他频率下性能的下降。因此，传统的重复控制往往会降低对非重复干扰的响应能力，从而引发所谓的水床效应。对于同时存在重复和非重复干扰的SLPS而言，这种权衡尤其不利。主动干扰抑制控制因其对精确植物模型的依赖程度较低，而在学术界和工业界都受到了广泛关注。作为ADRC的核心，扩展状态观测器能够估算系统的总扰动，包括未建模动态、外部干扰以及参数扰动，然后通过前馈控制对这些扰动进行补偿。因此，ADRC被广泛用于振动抑制研究。从理论上讲，提高带宽有助于提升振动检测能力，但过大的带宽则会放大测量噪声。为在不增加观测器带宽的情况下提升对窄带大振幅振动的检测能力，人们将ADRC与重复控制相结合。例如，田等人将离散时间重复控制器嵌入ADRC的控制律中，以抑制重复频率振动；徐等人将重复控制纳入扩展状态观测器中，无需增加观测器带宽即可抑制重复频率振动；罗等人进一步提出了嵌入式离散时间重复ADRC，其中扩展状态观测器负责处理低频和参数扰动，而重复控制则用于抑制重复频率振动。然而，这些方法仍然无法解决重复控制带来的水床效应，因此可能会加剧非重复频率下的响应恶化。此外，在传统的扩展状态观测器设计中，通常为n阶植物模型设计(n+1)阶的扩展状态观测器，而较高的观测器阶数可能会降低对总扰动估算的精度。因此，现有的基于ADRC和重复控制的SLPS抑制方法仍存在三个主要局限：在低频和中频范围内的振动检测能力不足，重复频率抑制与非重复频率性能之间的平衡问题仍未解决，以及传统ADRC结构导致的估算精度有限。针对上述问题，本文提出了一种基于改进的重复频率补偿器和部分带宽补偿器的改进型主动干扰抑制控制方案，用于SLPS的振动抑制。首先，通过引入内部校准器构建等效的低阶扩展状态观测器，以提升低频振动的抑制效果。接着，用部分带宽补偿器替换扩展状态观测器中的传统积分器，从而得到一种能够更好检测低频和中频振动的基于部分带宽补偿器的扩展状态观测器。随后，通过引入优化函数将重复控制发展为改进的重复频率补偿器，并将其并行纳入总扰动回路中，从而得到一种既能提升重复频率振动检测能力又能减轻水床效应的改进型重复频率补偿器-部分带宽补偿器-扩展状态观测器组合结构。最后，基于该组合结构，进一步提出了用于ISP基SLPS闭环振动抑制的改进型重复频率补偿器-部分带宽补偿器-主动干扰抑制控制方案。本文的主要贡献如下：(1)通过引入内部校准器，构建了IADRC框架，实现了等效的低阶扩展状态观测器，提升了总扰动估算的精度，增强了对低频振动的抑制效果。(2)提出了改进的重复频率补偿器-部分带宽补偿器-扩展状态观测器组合结构，显著提升了对低频、中频及重复频率振动的检测能力，同时减轻了水床效应。分析了部分带宽补偿器和改进重复频率补偿器参数对扩展状态观测器振动检测能力的影响。(3)提出了改进的重复频率补偿器-部分带宽补偿器-主动干扰抑制控制方案，并通过仿真和实验在ISP基SLPS平台上进行了验证，证明了该方案能够有效抑制低频、中频及重复频率振动，同时减轻水床效应。(4)将改进的重复频率补偿器-部分带宽补偿器-扩展状态观测器的估算误差动态建模为中性时滞系统，通过构建新的李雅普诺夫-克拉索夫斯基函数，以线性矩阵不等式的形式给出了与时滞相关的输入到状态稳定性条件。此外，还建立了改进的重复频率补偿器-部分带宽补偿器-主动干扰抑制控制方案跟踪误差动态的稳定性条件。本文的其余部分结构如下：第2节描述了ISP基SLPS的结构以及传统方法的局限性；第3节介绍了所提出的方法并分析了其振动检测性能；第4节进行了稳定性分析并讨论了相关参数；第5节展示了对比仿真结果及实验验证情况；第6节对全文进行了总结。片段SLPS建模与振动分析如图1所示，ISP基SLPS由一个通过柔性铰链支撑的2自由度旋转结构组成，其结构共振会影响视轴稳定。由于两个轴相互垂直且控制方式相同，此处仅考虑其中一个轴。相应的机电模型由方程1给出，其推导过程见附录A。{Ui=Ka(θ˙y?θ˙d)+RiIi+LiI˙iCaIi=Jθ¨y+ξf(θ˙y?θ˙d)+Kf(θy?θd)}其中，Ui、Ii、θy和θd分别表示驱动电压、电流、整体架构所提出的MRFC-PBC-IADRC为了解决传统TESO和CRC方法的局限性，本文提出了一种新的MRFC-PBC-IADRC方案，用于抑制ISP基SLPS的振动。该方案的总体架构如图6所示。如图所示，该框架围绕三个具有不同功能的扰动估算通道构成，分别是Channel1f、Channel2f和Channel3f，对应于IADRC、CRC-IADRC和MRFC-PBC-IADRC三种控制策略。其中，MRFC-PBC-ESO的稳定性分析为便于稳定性分析，将方程13中的系统重新表述为：{z˙1(t)=z2(t)+z3(t)+b0u(t)z˙2(t)=h1(t)z˙3(t)=h2(t)}其中，z1(t)=θy(t)，z2(t)=f1(t)，z3(t)=f2(t)，f1(t)表示能够被部分带宽补偿器有效检测和补偿的振动分量，f2(t)则表示能够通过改进的重复频率补偿器提升估算精度的重复频率振动分量，h1(t)=f˙1(t)，h2(t)=f˙2(t)。实验平台在实验设备条件受限的情况下，我们在ISP基实验平台上开展了研究，以验证所提方法在抑制低频和中频振动方面的有效性。实验装置如图12所示。ISP和振动平台均由音圈电机（LA0505-000A和LA12-17-000A，SENSATA品牌）驱动。ISP放置在振动平台上用于稳定激光，而振动平台则作为外部激励源。结论本文提出了一种MRFC-PBC-IADRC方案，用于抑制遭受低频、中频及重复频率振动影响的ISP基SLPS的振动。通过引入内部校准器，构建了低阶IADRC框架，以提升低频扰动的估算精度。在此基础上，部分带宽补偿器提升了低频和中频振动的检测能力，而改进的重复频率补偿器则并入总扰动回路中，以增强对重复频率振动的抑制能力。贡献声明钟长林：撰写——初稿、验证、软件、方法论、研究、正式分析、概念设计。余万平：撰写——审阅与编辑、验证、软件、研究、正式分析。王浩林：撰写——审阅与编辑、监督、软件、方法论、概念设计。毛耀：监督、方法论、资金获取、概念设计。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。