基于双频导频的静电致动增益实时跟踪与前馈补偿方法

本发明属于空间引力波探测，尤其涉及一种基于双频导频的静电致动增益实时跟踪与前馈补偿方法。

背景技术：

1、空间引力波探测任务依托无拖曳控制技术使电极笼内的检验质量（tm）保持近自由落体状态，以此感知微弱引力波信号。系统采用六自由度静电致动方案，数字驱动指令经数模转换器（dac）、功放及电缆链路加载至电极，通过电极电压平方差生成控制力。在轨工况下，器件温漂、元器件老化、接触电阻波动、电源纹波等因素，会使电压链路产生ppm量级缓慢乘性增益漂移。该漂移与驱动指令耦合，噪声能量集中于0.001～0.1hz引力波科学频段，无法通过常规滤波消除，是制约探测系统加速度噪声谱密度突破3×10-15m·s-2·hz-1/2指标的核心瓶颈。目前，现有技术均存在明显缺陷，无法适配在轨高精度稳控需求：离线桥式标定仅能实现初始静态校准，无法跟踪在轨实时慢漂；高稳定电压基准与无源滤波仅抑制加性噪声，对乘性增益漂移无效；sigma-delta调制仅优化量化噪声，不具备增益辨识能力；pc-rls算法辨识固定电极刚度，而非时变增益，参数匹配性差；传统单导频监测可估计增益，但无异常校验机制，易受单频干扰导致辨识失真，引发控制闭环扰动。综上，现有技术普遍存在增益跟踪能力缺失、物理辨识量不匹配、无容错校验机制等问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明创造旨在提供一种基于双频导频的静电致动增益实时跟踪与前馈补偿方法，以解决现有技术普遍存在增益跟踪能力缺失、物理辨识量不匹配、无容错校验机制等问题，本发明通过构建双导频同源互校验的增益观测架构，通过双路信号交叉校验实现增益精准解算与故障甄别，并联动前馈保护状态机，从机理上解决了传统方案辨识精度低、抗干扰弱、可靠性差的技术痛点。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、一种基于双频导频的静电致动增益实时跟踪与前馈补偿方法，具体包括如下步骤：

4、s1：在数字控制器的输出指令上叠加两路正弦导频信号，且两路正弦导频信号的频率比值不为一倍、二倍、三倍和四倍；

5、s2：对电容式读出回读信号所包含的两路正弦导频信号分别进行i/q相干解调与cordic幅值提取后，结合闭环传递函数的幅值及两路正弦导频信号的注入幅值，计算获得对应的两路等效致动增益瞬时估计值；

6、s3：基于两路等效致动增益瞬时估计值计算一致性残差，根据一致性残差计算结果对两路等效致动增益瞬时估计值进行三态判定；

7、s4：基于三态判定结果，对两路等效致动增益瞬时估计值进行容错处理，获得全局估计，对全局估计进行滤波平滑处理；

8、s5：基于滤波平滑处理后的全局估计计算补偿后的控制指令，将控制指令输入数模转换器以驱动电极工作。

9、进一步的，在步骤s1中，设第一路正弦导频信号的频率为，第二路正弦导频信号的频率为，则两路正弦导频信号的四阶及以下整数线性组合|m±n|不落入0.001hz–0.1hz的科学频段，m和n为不同时为0的非负整数，且m+n≤4；

10、两路正弦导频信号的频率均位于4hz~9hz的频率范围内，两路正弦导频信号经数模转换器输出后的模拟电压幅值均不大于电极驱动偏置电压的1%。

11、进一步的，在步骤s2中，计算获得对应的两路等效致动增益瞬时估计值所采用的表达式为：

12、

13、；

14、其中，第j个更新时刻对应的第i路等效致动增益瞬时估计值，为第j个更新时刻对应的第i路正弦导频信号的幅值估计，为第j个更新时刻对应的第i路正弦导频信号的同相分量，为第j个更新时刻对应的第i路正弦导频信号的正交分量，为第i路正弦导频信号的闭环传递常数，为第j个更新时刻对应的第i路正弦导频信号的注入幅值。

15、进一步的，在步骤s3中，计算一致性残差所采用的计算公式为：

16、；

17、其中，为第j个更新时刻对应的一致性残差，为第j个更新时刻对应的其中一个等效致动增益瞬时估计值，为第j个更新时刻对应的另一个等效致动增益瞬时估计值。

18、进一步的，在步骤s3中，三态包括正常态、单通道异常态和双通道异常态。

19、进一步的，在步骤s3中，根据一致性残差计算结果对两路等效致动增益瞬时估计值进行三态判定的具体方法为：

20、若，为阈值，则两路等效致动增益瞬时估计值均为正常态；

21、若，则两路等效致动增益瞬时估计值为单通道异常态或双通道异常态；

22、若或，则两路等效致动增益瞬时估计值为单通道异常态，为经指数加权移动平均滤波后的等效致动增益先验均值，为其中一个等效致动增益瞬时估计值的噪声标准差，为另一个等效致动增益瞬时估计值的噪声标准差；

23、否则，判定两路等效致动增益瞬时估计值为双通道异常态。

24、进一步的，阈值，其中，为两路等效致动增益瞬时估计值的合成标准差，，为其中一个等效致动增益瞬时估计值的噪声方差，为另一个等效致动增益瞬时估计值的噪声方差，k为常数。

25、进一步的，在步骤s4中，若两路等效致动增益瞬时估计值均为正常态，则以两路等效致动增益瞬时估计值的噪声方差构造权重，进行反方差加权融合，获得全局估计：

26、；

27、其中，为第j个更新时刻对应的全局估计，为其中一个等效致动增益瞬时估计值的噪声方差，为另一个等效致动增益瞬时估计值的噪声方差；

28、若两路等效致动增益瞬时估计值为单通道异常态，则全局估计等同于处于正常态的等效致动增益瞬时估计值；

29、若两路等效致动增益瞬时估计值为双通道异常态，则冻结上一次的全局估计。

30、进一步的，在步骤s3中，计算一致性残差所采用的两路等效致动增益瞬时估计值为经滤波平滑处理后的两路等效致动增益瞬时估计值；

31、在步骤s3和步骤s4中，采用指数加权移动平均进行滤波平滑处理。

32、进一步的，在步骤s5中，基于滤波平滑处理后的全局估计计算补偿后的控制指令所采用的计算公式为：

33、其中，第j个更新时刻对应的补偿后的控制指令，第j个更新时刻对应的数字控制器的输出指令，第j个更新时刻对应的滤波平滑处理后的全局估计。

34、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

35、（1）本发明创造的基于双频导频的静电致动增益实时跟踪与前馈补偿方法，采用双频正弦导频叠加注入的方式，在不干扰主体控制工作的前提下完成通道致动增益在线观测，两路导频频率规避四阶以内整数倍关系，避免谐波互相干扰，同时导频幅值严格限制在驱动偏置电压1%以内，对系统本体扰动极小。结合i/q相干解调与cordic幅值提取算法，能够实时获取静电致动通道的等效致动增益瞬时估计值，解决现有技术增益跟踪能力缺失的问题，可实时捕捉链路增益漂移、阶跃跳变。

36、（2）本发明创造的基于双频导频的静电致动增益实时跟踪与前馈补偿方法，通过两路独立导频分别解算得到两组增益估计，计算一致性残差开展三态判定，区分正常态、单通道异常态、双通道异常态。正常工况下采用反方差加权融合得到全局增益估计；单通道异常时直接采信正常通道结果；双通道同时异常时冻结上一时刻有效全局估计。该机制可以识别解调噪声、通道扰动、单路导频异常等故障，填补传统方案缺少容错校验机制的短板，避免错误增益估计输出造成控制劣化。

37、（3）本发明创造的基于双频导频的静电致动增益实时跟踪与前馈补偿方法，采用指数加权移动平均滤波对瞬时估计与融合后的全局估计做平滑降噪处理，抑制测量噪声；依靠双路信号交叉校验，降低单点噪声、瞬态扰动对增益辨识结果的影响，改善传统方案辨识精度低、抗干扰弱的痛点，解决物理辨识量不匹配问题，输出更加稳定可靠的增益观测结果。

38、（4）本发明创造的基于双频导频的静电致动增益实时跟踪与前馈补偿方法，利用经过容错校验后的全局增益估计完成前馈补偿运算，对数字控制器输出指令进行增益修正，输出补偿后控制指令给到数模转换器驱动电极。将增益实时跟踪-容错甄别-前馈补偿形成完整闭环，增益异常时可冻结观测输出实现前馈保护，从机理上改善静电致动系统因通道增益漂移带来的控制性能下降，显著提升整机工作可靠性。