1.本技术涉及空间遥感器高精度伺服控制技术领域，尤其涉及一种空间遥感器伺服控制系统控制参数在轨自动调整方法。


背景技术：

2.在轨空间遥感器由于任务需要，会使用高精度的跟瞄控制系统对目标进行成像伺服跟瞄。然而，控制系统在轨以后，受温度变化、力学环境变化、其它载荷微振动等影响，自身控制器的机构负载的特性会发生变化。在进行精密的光机设备控制时，会影响控制精度，造成明显的误差。
3.目前，现有的克服这种天地不一致性方法有两种：一种为提高控制系统的相位裕度，保证控制系统有足够大的鲁棒性来克服负载特性变化带来的干扰。但是，为了提高相位裕度，必然会对精度造成抑制，甚至难以实现高精度的跟瞄伺服。另外一种克服天地不一致性的方法为使用重力卸载方法来在地面上模拟出空间的力学环境，然而这种方法难以同时满足完全模拟力学、热学和微振动环境等实际空间的状态，而且这种方法对于大尺寸、大惯量，多维运动的模拟效果有限，常常需要靠对比分析获得最终调试结果，且成本巨大。


技术实现要素：

4.本技术解决的技术问题是：针对现有技术中方案的控制精度降低和工程应用局限性。本技术提供了一种空间遥感器伺服控制系统控制参数在轨自动调整方法，根据在轨控制误差进行谱分析得到在轨控制系统需求带宽与相位裕度，在pid控制参数稳定域内计算得到新的p、i控制参数，进而在轨自动调整控制系统控制参数，更好的与在空间工作中变化了的机构特性相适应，提高了系统的控制精度以及工程实用性。
5.本发明的技术方案：
6.一种空间遥感器伺服控制系统控制参数在轨自动调整方法，包括如下步骤：
7.1)建立控制系统模型，获得运动数据与曲线运动指令之间的误差；
8.2)根据运动数据与曲线运动指令之间的误差，进行傅里叶变化，获得误差的功率谱分布作为在轨测量的误差功率谱分布；
9.3)将控制系统模型和在轨测量的误差功率谱分布反卷积，获得过控制器之前的误差功率谱；
10.4)以系统带宽的频率点为起始点，按频率步长逐步增加控制系统模型的带宽，获得更新后的系统带宽对应的控制系统模型作为更新后的控制系统模型；
11.5)根据步骤4)将更新后的控制系统模型和过控制器之前的误差功率谱进行卷积，获得更新后的控制系统模型对应的控制精度；
12.6)重复步骤4)～5)，直至更新后的控制系统模型对应的控制精度首次大于需求精度的a倍，获得对应的控制系统模型的带宽作为正向带宽；
13.7)以系统带宽的频率点为起始点，以0.01hz为步长，逐步减小控制系统模型的带
宽，获得更新后的系统带宽对应的控制系统模型作为更新后的控制系统模型；
14.8)根据步骤7)将更新后的控制系统模型和过控制器之前的误差功率谱进行卷积，获得更新后的控制系统模型对应的控制精度；
15.9)重复步骤7)～8)，直至更新后的控制系统模型对应的控制精度首次大于需求精度的0.9倍，获得对应的控制系统模型的带宽作为负向带宽；
16.10)获得正向带宽和负向带宽的中心点作为控制系统模型的最终系统带宽；
17.11)在所述pid控制参数稳定域中，统计满足所述在轨控制系统需求带宽与所述在轨控制系统所需相位裕度的p、i控制参数范围，pid控制参数稳定域满足所述控制系统有足够的相角裕度，得到由p、i控制参数组成新的二维范围；
18.12)计算所述新的二维范围的形心位置对应的具体p、i控制参数数值。
19.本发明的有益效果如下：
20.1)本技术实施例所提供的方案中，对在轨被控机构根据特定运动指令运动获得当时的机构特性，并以此为依据通过带宽的递加与递减变化获得在轨时刻的最终带宽频率，然后在控制参数稳定域中获得满足最终系统带宽的pi参数的二维形心，从而获得根据在轨运动结果自整定后的pi控制参数。该方法通过在轨自整定pid控制参数控制受空间环境影响而导致特性发生变化的被控机构，能够克服被控机构特性发生变化的不确定性。
21.2)本技术实施例避免了采用固定系统带宽和相位裕度时，为保证空间影响导致机构负载特性变化下仍然有较好稳定性而使相角裕度过大导致难以实现高精度的机构控制的问题。
22.3)本技术实施例避免了为实现高精度机构控制设计的相角裕度无法适应空间机构特性的改变，导致在轨机构控制中出现抖动、发散或者失效的问题。
23.4)本技术实例可以在轨实现机构的参数整定，显著降低产品地面研制与调试时，对力学、热学和微振动环境等实际空间状态进行精确、全面的模拟仿真的成本。
附图说明
24.图1为本技术实施例所提供的一种空间遥感器高精度伺服控制系统结构示意图；
25.图2为本技术实施例所提供的一种空间遥感器伺服控制系统控制参数在轨自动调整方法的流程图；
26.图3为本技术实施例所提供的一种p、i控制参数二维稳定范围的示意图。
具体实施方式
27.本技术实施例提供的方案中，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
28.为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本技术技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
29.本发明一种空间遥感器伺服控制系统控制参数在轨自动调整方法，包括如下步
骤：
30.1)建立控制系统模型，获得运动数据与曲线运动指令之间的误差；
31.2)根据运动数据与曲线运动指令之间的误差，进行傅里叶变化，获得误差的功率谱分布作为在轨测量的误差功率谱分布；
32.3)将控制系统模型和在轨测量的误差功率谱分布反卷积，获得过控制器之前的误差功率谱；
33.4)以系统带宽的频率点为起始点，按频率步长(频率步长的取值范围为0.008～0.012hz，本发明实施例中频率步长等于0.01hz)逐步增加控制系统模型的带宽，获得更新后的系统带宽对应的控制系统模型作为更新后的控制系统模型；
34.5)根据步骤4)将更新后的控制系统模型和过控制器之前的误差功率谱进行卷积，获得更新后的控制系统模型对应的控制精度；
35.6)重复步骤4)～5)，直至更新后的控制系统模型对应的控制精度首次大于需求精度的a倍(a的取值范围为0.85～0.95，本发明实施例中为0.9倍)，获得对应的控制系统模型的带宽作为正向带宽；
36.7)以系统带宽的频率点为起始点，以0.01hz为步长，逐步减小控制系统模型的带宽，获得更新后的系统带宽对应的控制系统模型作为更新后的控制系统模型；
37.8)根据步骤7)将更新后的控制系统模型和过控制器之前的误差功率谱进行卷积，获得更新后的控制系统模型对应的控制精度；
38.9)重复步骤7)～8)，直至更新后的控制系统模型对应的控制精度首次大于需求精度的0.9倍，获得对应的控制系统模型的带宽作为负向带宽；
39.10)获得正向带宽和负向带宽的中心点作为控制系统模型的最终系统带宽；
40.11)在所述pid控制参数稳定域中，统计满足所述在轨控制系统需求带宽与所述在轨控制系统所需相位裕度的p、i控制参数范围，pid控制参数稳定域满足所述控制系统有足够的相角裕度(相角裕度一般不低于45
°
)，得到由p、i控制参数组成新的二维范围；
41.12)计算所述新的二维范围的形心位置对应的具体p、i控制参数数值。
42.步骤1)所述获得运动数据与曲线运动指令之间的误差的方法，包括如下步骤：
43.11)建立控制系统模型，根据广义hermite
‑
biehler定理，确定使得所述控制系统模型处于稳态工作的pid控制参数；
44.12)在轨通过控制指令使被控机构(如指向机构、扫描机构或稳像机构等)执行特定的曲线运动指令，该曲线运动的描述函数为五阶以上；
45.13)测量并记录所述被控机构实际运动数据(包括角度或位移)，确定运动数据与曲线运动指令之间的误差。
46.步骤12)所述曲线运动包括：正弦运动、三角波运动。
47.为了理解空间遥感器高精度伺服控制系统控制参数在轨自动调整方法的原理，参见图1，本技术实施例提供了一种空间遥感器高精度伺服控制系统的结构示意图。空间遥感器高精度伺服控制系统包括：pid控制器11以及被控机构12；其中，pid控制器11用于根据输入的控制指令解算输出被控机构控制量，并将所述被控机构控制量发送给被控机构12；被控机构12用于根据输入的被控机构控制量驱动机构运动。
48.在本技术实施例所提供的方案中，控制器使用的控制算法包括pid控制算法等，在
此并不做限定。
49.以下结合说明书附图对本技术实施例所提供的一种空间遥感器伺服控制系统控制参数在轨自动调整方法做进一步详细的说明，该方法具体实现方式可以包括以下步骤(方法流程如图2所示)：
50.步骤201，在地面针对现有被控机构设计控制系统，根据设计带宽与相位裕度设计相应的pid控制器，整定pid控制参数。
51.步骤202，建立控制系统模型，根据广义hermite
‑
biehler定理及其推论来确定使得所述控制系统处于稳态工作的pid控制参数稳定域。
52.具体的，在本技术实施例所提供的方案中，根据广义hermite
‑
biehler定理及其推论来确定使得所述控制系统处于稳态工作的pid控制参数稳定域的方式有多种，下面以一种较佳的方式为例进行说明。
53.在一种可能实现的方式中，确定使得所述控制系统处于稳态工作的pid控制参数稳定域的方法，包括：确定控制参数p的取值范围；根据广义hermite
‑
biehler定理及其推论确定控制参数i的线性不等式组；解出所述线性不等式组，得到特定的所述控制参数p的值对应的p、i二维稳定范围；在所述控制参数p的取值范围内，遍历所有所述控制参数p值，求得使得所述控制系统处于稳态工作的p、i控制参数二维稳定范围。
54.步骤203，在轨通过控制指令使被控机构执行特定的曲线运动(一般为五阶以上的运动曲线)，测量并记录所述被控机构实际运动数据，计算所述运动数据与所述控制指令的误差，将所述误差进行傅里叶变换，获得误差功率谱分布。
55.具体的，在本技术实施例所提供的方案中，控制指令控制被控机构执行特定的曲线运动一般为五阶以上的运动曲线，也包括但不限于正弦运动、三角波运动等。测量并记录所述被控机构实际运动数据的方法包括但不限于位置传感器、图像传感器等。
56.步骤204，将地面研制中设计的控制系统模型和在轨测量的误差功率谱分布反卷积，获得过控制器之前的误差功率谱。
57.步骤205，针对地面设计的控制系统模型，以一定的增量(例如0.01hz)增加带宽，然后和反卷积计算出的过控制器之前的误差功率谱进行卷积。
58.步骤206，判断卷积结果是否小于需求精度的0.9倍。
59.具体的，在本技术实施例所提供的方案中，所述需求精度一般根据具体任务需求确定。
60.步骤207，若不小于，则以一定的增量(例如0.01hz)提高系统带宽，回到步骤203；
61.步骤208，若小于，则确定当前系统带宽为在轨控制系统需求带宽，在所述pi控制参数稳定域中，统计满足所述在轨控制系统需求带宽与所述在轨控制系统所需相位裕度的p、i控制参数范围，得到由p、i控制参数组成新的二维范围；
62.步骤209，计算所述新的二维范围的形心位置对应的具体p、i控制参数数值，作为所述机构特性发生变化后所需要的新的p、i控制参数，完成所述pid控制参数的在轨自整定。
63.本技术实施例所提供的方案中，通过将实际在轨运行的空间遥感器高精度伺服控制系统所控制的负载机构执行特定曲线运动，计算被控机构实际运动与控制指令的误差，并对所述误差进行谱分析，以确定在轨控制系统需求带宽与在轨控制系统所需相位裕度，
结合地面环境中使得所述控制系统稳定的pid控制参数稳定域，求得满足所述在轨控制系统需求带宽与相位裕度的p、i控制参数范围与具体数值，完成pid控制参数的在轨自整定。因此，本技术实施例所提供的方案中，通过实际在轨运行的控制系统负载机构需求的带宽与相位裕度以及在地面环境中使得控制系统处于稳定的pid控制参数稳定域中确定满足在轨需求的控制系统带宽与相位裕度的p、i控制参数范围与具体数值，进而使得确定出的新的p、i控制参数数值更好的适应在轨环境中特性发生变化的负载机构，提高了方案的控制精度以及实用性。
64.为了理解p、i控制参数在轨自动调整方法的原理，参见图3，本技术实施例所提供的一种p、i控制参数二维稳定范围的示意图。p、i控制参数二维稳定范围包括：在地面确定好的p、i控制参数二维稳定范围31，在地面确定好的p、i控制参数具体数值32，在轨确定好的p、i控制参数二维稳定范围33，在轨确定好的p、i控制参数具体数值34。
65.其中：
66.在地面确定好的p、i控制参数二维稳定范围31是根据广义hermite
‑
biehler定理及其推论确定控制参数i的线性不等式组；解出所述线性不等式组，得到特定的所述控制参数p的值对应的p、i二维稳定范围；在所述控制参数p的取值范围内，遍历所有所述控制参数p值，求得使得所述控制系统处于稳态工作的p、i控制参数二维稳定范围。
67.在地面确定好的p、i控制参数具体数值32是根据设计带宽与相位裕度调试确定的。
68.在轨确定好的p、i控制参数二维稳定范围33是根据在轨通过控制指令使被控机构执行特定的曲线运动(一般为五阶以上的运动曲线)，测量并记录所述被控机构实际运动数据，计算所述运动数据与所述控制指令的误差，将所述误差进行傅里叶变换，获得误差功率谱分布；将地面研制中设计的控制系统模型和在轨测量的误差功率谱分布反卷积，获得过控制器之前的误差功率谱；针对地面设计的控制系统模型，以一定的增量(例如0.01hz)不断增加带宽，然后和反卷积计算出的过控制器之前的误差功率谱进行卷积，当结果小于所需精度的0.9倍时，对应的带宽为在轨控制系统需求带宽。且在轨控制系统所需相位裕度与通常相同(一般为
‑
135
°
)；对满足所述在轨控制系统需求带宽与相位裕度在地面确定好的p、i控制参数二维稳定范围31中进行统计确定的。
69.在轨确定好的p、i控制参数具体数值34是通过计算在轨确定好的p、i控制参数二维稳定范围33的形心对应具体p、i控制参数具体数值确定的。
70.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
71.本技术是参照根据本技术实施例的方法的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个
流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
72.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
73.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
74.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。