一种基于Goertzel陷波滤波器的大惯量空间二维转台谐振抑制系统和方法

本发明涉及低速大转矩运动控制，特别是一种基于goertzel陷波滤波器的大惯量空间二维转台谐振抑制系统和方法。

背景技术：

1、在星地或星间光通信中，二维转台具有转动范围大，控制简单等特点，是星载atp系统指向机构的重要组成部分，其转台的控制性能直接关系到整个系统的动态响应、跟瞄精度与运行稳定性。受制于结构上的约束，往往二维转台与光学望远镜结构的连接刚度较低，驱动系统呈现出大惯量比的机电耦合特性，其中机械谐振与控制带宽受限是两个尤为突出且相互关联的挑战，在特定频率下会导致输出响应出现强烈振荡，在速度上制约了系统跟踪能力与对外部扰动的抑制。

2、常用的控制方法通过改变控制器参数或控制器结构来降低速度环的系统增益，包括滑模控制(smc)，模型预测控制(mpc)，自抗扰控制(adrc)，加速度观测器，和基于状态反馈的比例积分控制(sfpic)等，这些控制方法往往对于负载较小的场合能够起到抑制抖动的效果，但对于大惯量空间望远镜来说，这些控制方法稍显不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于goertzel陷波滤波器的大惯量空间二维转台谐振抑制系统和方法，主要解决上述现有技术存在的问题，即大惯量下的电机抖动带动机械谐振、控制带宽提升受限等问题，为空间光通信的粗跟踪系统提供一种高效、适用性强的解决方案。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是提供一种大惯量空间二维转台的谐振抑制控制系统，其特征在于，包括伺服三环控制单元、转速采集单元、谐振辨识单元、陷波滤波单元和参数更新单元；

3、所述伺服三环控制单元实现伺服三环控制架构，由外至内依次为位置环、速度环和电流环；所述转速采集单元采集所述速度环的转速，实时反馈转速时域信号；所述谐振辨识单元连接到所述转速采集单元，获取所述转速时域信号，利用改进goertzel算法结合自适应阈值黄金分割搜索策略，进行在线辨识输出谐振特征参数；所述陷波滤波单元为动态可调陷波滤波器，连接到所述谐振辨识单元，基于所述谐振特征参数，采用预畸变双线性变换法生成滤波参数，用于对所述速度环输出的转矩指令进行滤波；所述参数更新单元连接到所述谐振辨识单元，利用滑动窗goertzel算法，实时监测所述谐振特征参数的变化，在线动态更新所述陷波滤波单元的核心滤波参数。

4、进一步地，所述电流环采样频率高于所述速度环的采样频率；所述速度环的采样频率高于所述位置环的采样频率；所述转速采集单元、所述谐振辨识单元、所述陷波滤波单元和所述参数更新单元，与所述速度环同步采样运行，不干预所述位置环的定位逻辑与所述电流环的响应特性。

5、进一步地，所述控制系统应用于星载大惯量二维光电转台atp伺服控制系统；所述伺服三环控制单元、所述转速采集单元、所述谐振辨识单元、所述陷波滤波单元和所述参数更新单元集成于可编程数字逻辑器件内，以硬件逻辑电路方式并行实现；所述系统适配方位轴和俯仰轴双轴伺服控制与谐振抑制。

6、本发明还公开了一种基于goertzel陷波滤波器的大惯量空间二维转台谐振抑制方法，应用于上述大惯量空间二维转台的谐振抑制控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

7、步骤s100，采集所述转速采集单元实时反馈的所述转速时域信号；

8、步骤s200，通过改进goertzel算法结合自适应阈值黄金分割搜索策略，对所述转速时域信号进行在线辨识，输出所述谐振特征参数；

9、步骤s300，基于所述谐振特征参数，采用预畸变双线性变换法动态生成核心滤波参数，构建所述陷波滤波器；

10、步骤s400，将所述陷波滤波器串联嵌入所述速度环的控制通路中，对所述速度环输出的转矩指令进行滤波；

11、步骤s500，采用滑动窗goertzel算法实时监测所述谐振特征参数的变化趋势；当所述变化趋势超过预设阈值时，返回步骤s200重新进行在线辨识，以更新所述核心滤波参数。

12、进一步地，在步骤s200中，所述改进goertzel算法采用二阶iir递归结构；所述二阶iir递归结构仅针对所述转速时域信号中的目标谐振频点计算幅值与相位。

13、进一步地，在步骤s200中，所述自适应阈值黄金分割搜索策略包括：

14、步骤s201，采用二阶多项式拟合去除所述转速时域信号中的趋势项，并通过中位数绝对偏差估计噪声强度，以建立噪声基准；

15、步骤s202，根据所述噪声基准及所述转速时域信号的全局测量信噪比，动态自适应更新阈值系数，以设定用于区分可信信号与噪声的判定阈值；

16、步骤s203，基于所述判定阈值和黄金分割比迭代搜索谐振区间，并根据当前区间类型采用粗采样或精采样两级采样点数；在噪声区间采用粗采样提速，在谐振区间采用精采样保精度；

17、步骤s204，利用弱决策计数与多窗口协作机制，基于所述粗采样和所述精采样的结果进行多窗口联合判定，实现谐振频率全局最优辨识，输出所述谐振特征参数。

18、进一步地，在步骤s300中，所述预畸变双线性变换法先通过预畸变补偿修正谐振频率偏移，再通过双线性变换完成滤波器离散化，以保证离散后的所述陷波滤波器的核心滤波参数与连续域一致。

19、进一步地，在步骤s200和步骤s300中，所述谐振特征参数包括谐振中心频率、谐振幅值和谐振带宽；所述陷波滤波器的核心滤波参数包括陷波中心频率、陷波深度和陷波宽度。

20、进一步地，在步骤s500中，所述滑动窗goertzel算法包括：

21、步骤s501，设置固定长度的滑动窗口，缓存连续多个控制周期采集的所述转速时域信号；

22、步骤s502，实时更新所述滑动窗口中的所述转速时域信号，并移除历史老旧的所述转速时域信号；

23、步骤s503，基于所述滑动窗口中的历史转速时域信号序列，采用goertzel算法计算各历史时刻的谐振特征参数，生成谐振参数变化趋势；

24、步骤s504，根据所述谐振参数变化趋势，当所述变化趋势超过所述预设阈值时，跳转到步骤s200重新进行在线辨识，否则跳转到步骤s501继续监测。

25、进一步地，在步骤s500中，所述预设阈值根据所述转速时域信号的全局测量信噪比动态设定。

26、鉴于上述技术特征，本发明是一种融合谐振频率辨识与抑制的goertzel-陷波滤波器的转台控制系统和方法，和现有技术相比，具有的显著优点为：本发明能够快速、精准地自动辨识系统谐振的中心频率、宽度及深度；通过获取系统误差状态进行在线调整参数，提升二维转台控制系统的动态性能。

27、为验证本发明技术方案的有效性，在一星载大惯量二维光电转台atp伺服控制系统上进行了对比实验。实验中，分别采用原始控制方法（未嵌入本发明谐振抑制模块）和本发明方法（嵌入goertzel陷波滤波器谐振抑制模块）进行对比，记录方位轴和俯仰轴的速度响应曲线。实验结果如图5所示。

28、由图5可知，采用原始方法时，方位轴和俯仰轴的速度响应中存在明显的周期性谐振振荡，速度波动幅度大、收敛时间长，严重影响转台的控制精度与稳定裕度。采用本发明方法后，方位轴和俯仰轴的速度响应曲线平滑，谐振振荡被快速、精准抑制，速度响应迅速收敛至稳态，且稳态精度显著优于原始方法，有效验证了本发明在大惯量弱阻尼工况下的谐振抑制效果与控制带宽提升能力。