多源扰动一体化补偿的伺服转台高精度稳控方法及系统与流程

本技术涉及伺服控制，特别是涉及一种多源扰动一体化补偿的伺服转台高精度稳控方法及系统。

背景技术：

1、伺服转台作为现代工业、国防装备及航空航天领域不可或缺的核心机电设备，广泛应用于光电跟踪、雷达阵列扫描、精密机床及飞行仿真等场景。随着现代装备对动态响应速度与静态定位精度要求的不断提升，伺服转台在复杂工况下的高精度稳定控制问题日益凸显。

2、在实际运行过程中，伺服转台不可避免地会受到多种复杂扰动的影响。这些扰动源通常具有多源、异构且相互耦合的特点，主要可归结为三大类：一是外部负载扰动，例如风载扰动、载体基座摇摆引起的运动学耦合扰动以及随机冲击载荷；二是内部参数波动扰动，主要体现在系统在运行过程中由于温度变化、结构变形等因素导致的转动惯量、阻尼系数等关键机电参数的摄动；三是非线性摩擦扰动，特别是在低速运行或换向阶段，伺服转台机械轴系存在的静摩擦、库仑摩擦及粘性摩擦的非线性突变，极易引起系统的爬行现象或稳态误差。

3、传统的伺服转台控制方案多采用基于标称模型的比例积分微分控制策略。然而，比例积分微分控制本质上是一种基于误差驱动的滞后型反馈控制，其对已知或可测的扰动具有良好的抑制能力，但对于上述多源未知扰动，往往难以兼顾系统的快速性与高精度。为了提升抗扰性能，现有技术中出现了多种改进方案。例如，部分方案采用单一扩张状态观测器对系统总扰动进行集中观测与补偿，该方法虽然结构简单，但将所有扰动视为集总扰动，难以精确刻画不同扰动源的物理特性，在强非线性摩擦或多变负载工况下，观测器极易产生相位滞后，导致补偿残差较大；另有方案采用基于多个独立观测器的解耦补偿方法，分别针对摩擦和负载设计补偿器，但这种方式往往忽略了各扰动通道之间的控制分配与逻辑协同，在生成最终控制指令时，往往采用简单的线性叠加方式。一旦系统受到超出预期范围的剧烈扰动，多路独立生成的补偿信号与基础反馈信号之间极易发生相互抵消或控制逻辑冲突，导致驱动器输入端出现深度饱和，进而引发系统失稳或动态性能急剧恶化。

4、因此，亟需一种能够精确分离并针对性补偿多源扰动、控制逻辑严密且能实现多通道信号协同融合的伺服转台高精度稳控方法及系统，以解决当前伺服转台在复杂工况下抗扰能力不足、多路控制信号易冲突饱和的技术瓶颈。

技术实现思路

1、本技术主要提供一种多源扰动一体化补偿的伺服转台高精度稳控方法及系统，以解决现有技术中伺服转台在复杂工况下稳定控制精度与动态响应性能不足的问题。

2、为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种多源扰动一体化补偿的伺服转台高精度稳控方法。所述方法包括：

3、步骤s1，实时采集伺服转台的运行状态数据，所述运行状态数据至少包括转台位置、电机转速、电机电流以及转台框架角速度；

4、步骤s2，对所述运行状态数据进行多源扰动特征提取与分离，生成包括外部负载扰动量、内部参数波动扰动量以及非线性摩擦扰动量的多源扰动估计值；

5、步骤s3，基于所述多源扰动估计值和预设的参考位置指令，采用一体化补偿控制策略生成前馈补偿信号和反馈修正信号；

6、步骤s4，将所述前馈补偿信号、所述反馈修正信号与基础控制信号进行融合叠加，生成一体化补偿控制信号，并输出至伺服转台的驱动器以实现高精度稳定控制。

7、在一些实施例中，所述步骤s2中，所述生成所述外部负载扰动量，包括：

8、构建基于扩张状态观测器的外部负载观测模型；

9、将预处理后的转台位置数据、电机转速数据以及电机电流数据输入至所述外部负载观测模型；

10、通过所述外部负载观测模型实时估计作用于所述伺服转台轴系上的未知外部力矩，并将其作为所述外部负载扰动量输出。

11、在一些实施例中，所述步骤s2中，所述生成所述内部参数波动扰动量，包括：

12、建立所述伺服转台的离散时间参数辨识模型；

13、利用递推最小二乘法，以电机电流和电机转速作为输入，在线辨识所述伺服转台的转动惯量和阻尼系数；

14、计算当前辨识得到的转动惯量和阻尼系数与标称参数之间的偏差，将该偏差作为所述内部参数波动扰动量。

15、在一些实施例中，所述步骤s2中，所述生成所述非线性摩擦扰动量，包括：

16、基于斯特里贝克摩擦模型建立非线性摩擦前馈补偿器；

17、利用预处理后的转台框架角速度数据计算方向符号函数，并结合所述斯特里贝克摩擦模型，分离出静摩擦、库仑摩擦以及粘性摩擦分量，合成得到所述非线性摩擦扰动量。

18、在一些实施例中，所述步骤s3中，所述采用一体化补偿控制策略生成前馈补偿信号和反馈修正信号，包括：

19、将构成所述多源扰动估计值的所述外部负载扰动量、内部参数波动扰动量以及非线性摩擦扰动量按对应的控制通道进行归一化处理；

20、将归一化后的非线性摩擦扰动量和内部参数波动扰动量叠加，构成针对系统内部机理的前馈补偿信号；

21、将归一化后的外部负载扰动量输入至鲁棒反馈控制器，结合所述参考位置指令与所述转台位置的偏差，生成用于抑制外部动态扰动的反馈修正信号。

22、在一些实施例中，所述鲁棒反馈控制器为滑模控制器，所述滑模控制器在构建控制律时引入所述外部负载扰动量作为前馈补偿项，并采用指数趋近律生成所述反馈修正信号，以降低所述滑模控制器的切换增益从而削弱抖振现象。

23、在一些实施例中，所述步骤s4中，所述生成所述一体化补偿控制信号，包括：

24、计算所述参考位置指令与所述转台位置的跟踪误差；

25、基于比例积分微分算法根据所述跟踪误差生成所述基础控制信号；

26、将所述基础控制信号、所述前馈补偿信号与所述反馈修正信号进行加权叠加，形成初始控制律；

27、对所述初始控制律进行限幅防饱和处理，生成最终的所述一体化补偿控制信号。

28、在一些实施例中，所述步骤s4之后，还包括自适应权重调节步骤：

29、实时计算所述伺服转台的跟踪误差均方根值；

30、当所述跟踪误差均方根值超出预设阈值时，动态调整所述前馈补偿信号与所述反馈修正信号在加权叠加时的加权系数，以使系统收敛至高精度稳控状态。

31、在一些实施例中，所述动态调整所述前馈补偿信号与所述反馈修正信号在加权叠加时的加权系数，包括：

32、结合当前时刻与上一时刻的跟踪误差均方根值变化率，判断系统的扰动抑制效果；

33、当跟踪误差均方根值变化率呈发散趋势时，增大所述反馈修正信号的加权系数并减小所述前馈补偿信号的加权系数；

34、当跟踪误差均方根值变化率呈收敛趋势时，增大所述前馈补偿信号的加权系数并减小所述反馈修正信号的加权系数。

35、为解决上述技术问题，本技术采用的另一个技术方案是：提供一种多源扰动一体化补偿的伺服转台高精度稳控系统，应用于实现如上述的方法，所述系统包括：

36、数据采集模块，用于实时采集伺服转台的运行状态数据，所述运行状态数据至少包括转台位置、电机转速、电机电流以及转台框架角速度；

37、扰动估计模块，用于对所述运行状态数据进行多源扰动特征提取与分离，生成包括外部负载扰动量、内部参数波动扰动量以及非线性摩擦扰动量的多源扰动估计值；

38、控制策略模块，用于基于所述多源扰动估计值和预设的参考位置指令，采用一体化补偿控制策略生成前馈补偿信号和反馈修正信号；

39、驱动执行模块，用于将所述前馈补偿信号、所述反馈修正信号与基础控制信号进行融合叠加，生成一体化补偿控制信号，并输出至伺服转台的驱动器以实现高精度稳定控制。

40、本技术的有益效果是：区别于现有技术的情况，本技术公开了一种多源扰动一体化补偿的伺服转台高精度稳控方法及系统。本技术实施例通过对采集的运行状态数据进行多源扰动特征提取与分离，将复杂的系统总扰动精确解耦为外部负载扰动量、内部参数波动扰动量以及非线性摩擦扰动量，使得不同机理的扰动能够得到针对性的估计，避免了传统集总观测带来的相位滞后与补偿残差；随后，基于多源扰动估计值生成前馈补偿信号和反馈修正信号，其中针对系统内部机理的扰动采用前馈直接抵消，针对外部动态扰动采用反馈鲁棒抑制，实现了控制策略的合理分配与一体化协同；最终，通过将前馈补偿信号、反馈修正信号与基础控制信号进行融合叠加，生成一体化补偿控制信号，实现了对多源扰动的全面、精准补偿；该方案不仅通过分离解耦提升了对多源扰动的精确补偿能力，还通过一体化的信号融合机制避免了多通道信号简单叠加引发的控制冲突与饱和问题，显著提升了伺服转台在复杂工况下的稳态精度、动态响应能力与系统鲁棒性。