内容简介
《光电跟踪系统扰动观测理论与实践》聚焦于光电跟踪系统在复杂扰动环境下的扰动抑制和视轴稳定，系统地开展了扰动观测方法的创新设计与实验验证。《光电跟踪系统扰动观测理论与实践》共7章，内容涵盖光电跟踪系统的发展背景、扰动因素分析、数学建模、多种扰动观测与补偿方法的提出及验证。《光电跟踪系统扰动观测理论与实践》详细介绍了基于不同控制策略的扰动观测器设计，包括虚拟多闭环控制、正向模型扰动观测器、部分补偿式扰动观测器、全补偿式扰动观测器等，显著提升了系统的扰动抑制能力。此外，还探讨了基于扩张状态观测器的多种改进方法，如相位超前补偿、自适应反步控制、基于跟踪误差的观测器结构以及二次扩张状态观测器，有效地解决了相位滞后、残余扰动等问题。针对窄带、大幅值周期性扰动问题，《光电跟踪系统扰动观测理论与实践》提出了改进型重复控制器、误差观测器及自适应窄带扰动观测器，显著提升了特定频率扰动的抑制效果。*后，结合串级自抗扰控制、模糊扩张状态观测器和分数阶控制理论，提出了多种混合抗扰策略，有效地改善了系统的抗扰能力和稳定裕度。
精彩书摘
第1章绪论
1.1光电跟踪系统扰动观测研究背景及意义
1.1.1光电跟踪系统国内外发展及应用
光电跟踪系统是由光学和机械结构、光电传感器、电气驱动系统以及控制系统等构成的复杂精密装置，其主要功能是实现对运动目标的实时精密测量和跟踪，广泛应用于激光通信、运动跟踪[2]、天文观测等领域。传统意义的光电跟踪系统主要指地基望远镜，通常可分为单镜片地基望远镜和多镜片地基望远镜两类。顾名思义，单镜片地基望远镜的光学单元由单一镜片组成，但是受到力学极限、工艺制造等因素的制约，单镜片地基望远镜的镜片*大直径约为8mW，如图1.1所示为安装在美国夏威夷的昴星团望远镜（Subamtelescope)，其主镜孔径达到8.2m[5]。相比于单镜片地基望远镜，多镜片地基望远镜由于采取了多孔径结构可达到更大的镜面量级，从而实现更高的观测精度，如图1.1(b)所示为欧洲南方天文台多镜片望远镜，其主镜由798个子镜拼接形成，直径达到39.3m光电跟踪系统的主要任务是完成对运动目标的探测和跟踪。为了实现对运动目标的稳定跟踪，当运动目标出现在视场范围内时，目标捕获单元根据图像传感器获取运动目标的图像信息，并提取运动目标相对于系统视轴的位置偏差，即脱IE量。基于脱靶量，信号处理单元生成控制信号驱动运动执行机构，以减小脱靶量，使得运动目标始终位于视轴中心位置附近。因此，光电跟踪系统通常要求具备视场范围大、响应速度快的特点，以满足对运动目标的快速跟踪需求。早期光电跟踪系统采用粗跟踪机架的单级机械结构，受限于转动惯量大，响应速度慢，因此难以满足快速跟踪需求。针对早期光电跟踪系统的问题，研究人员提出复合轴光电跟踪系统，即在粗跟踪机架的基础上增加一级快速倾斜镜实现精跟踪，如图1.2所示。复合轴结构的粗跟踪机架为目标跟踪提供大范围视场，负责精跟踪的快速倾斜镜具备惯量小、机械谐振频率高、摩擦小的特点，可在视场范围内快速响应并跟踪运动目标。因此，复合轴光电跟踪系统利用快速响应的精跟踪减小粗跟踪的残余误差，突破传统光电跟踪系统的响应速度限制，进一步提升了跟踪精度。
目前主流的高精度跟踪设备，通常采用如图1.2所示的复合轴结构，其中精跟踪的跟踪和稳定能力是光电系统提示精度的关键。精跟踪平台的组成部分包括由电机驱动的反射镜、目标光源、电荷稱合器件（chargecoupled device，CCD)成像装置、惯性传感器、控制器等。快速倾斜镜作为精跟踪平台时，一般由音圈电机或压电陶瓷驱动，音圈电机具有结构简单、行程大、比推力大、频率响应高等优点。压电陶瓷虽然频响更高，但行程更小，而且存在非线性迟滞现象。当采用音圈电机驱动快速倾斜镜时，通常在正交轴上对称配置四个音圈电机。由于x-y轴的对称特性，两轴音圈电机互相解耦，只需要考虑单一方向上的控制问题。
随着应用领域的不断拓展，传统的地基式光电跟踪系统已经难以满足需求。为实现复杂场景下对运动目标的高精度跟踪，增强系统的机动性、灵活性以及通用性成为发展趋势，因此基于运动平台的光电跟踪系统被广泛研究和应用。根据应用场景的不同，光电跟踪系统逐渐发展到车载[7]、机载舰载、星载等运动平台上。几种常见的基于运动平台的光电跟踪系统如图1.3所示。
自20世纪70年代开始，美国、以色列、欧洲、日本等国家和地区大力开展光电跟踪系统研究，在多个关键技术领域取得了显著进展。这些研究成果不仅推动了光电跟踪平台技术的发展，也为相关应用领域如激光通信、航空光学和天文观测等提供了强有力的技术支持。
1.美国
美国作为世界上*早开展光电跟踪系统研制的国家之一，在光电探测领域掌握着领先技术，其代表性光电跟踪系统如图1.4所示。自20世纪ro年代以来，美国研制了多款光电跟踪系统，并用于机载和舰载环境的光电探测任务。具体而言，美国诺思罗普？格鲁曼公司和以色列拉斐尔先进防御系统公司共同研发了AN/AAQ-28(V)5LiteningG4多功能吊舱，其采取五轴五框架结构并搭载激光测距仪、红外探测器等多个高性能传感器。该吊舱的俯仰轴自由转动范围达到-120°～+30°，稳定精度小于20xl(T6rad[1G]，被广泛应用于机载环境。此外，菲利尔（FLIR)公司生产了多款基于机载的光电吊舱，其中以StarSAFIRE系列吊舱*具代表性。Star SAFIRE 380光电跟踪系统采用四轴结构框架，视轴稳定精度达25xl0-6rad。为提高稳定精度，StarSAFIREm采用五轴机械结构，达到了20xl(T6rad的稳定精度，而StarSAFIREHD在其基础上，搭载了短波红外传感器、激光指示器等八种传感器，利用多传感器数据将视轴稳定精度提高到18xl0-6rad，适用于跟踪多种环境条件下的运动目标。在StarSAFIRE系列基础上，FLIR公司改进了系统结构，采用六轴稳定和多传感器信息融合技术，研制出BRITEStar光电侦察平台，该设备具有主动聚焦彩色成像能力，稳定精度优于。此外，由于机载环境的特殊要求，光电跟踪系统需要满足小型化、轻量化的设计要求。由美国研制
目录
目录
序言
前言
第1章 绪论 1
1.1 光电跟踪系统扰动观测研究背景及意义 1
1.1.1 光电跟踪系统国内外发展及应用 1
1.1.2 光电跟踪系统扰动观测研究意义.10
1.2 光电跟踪系统中影响平台惯性稳定因素的概述 11
1.2.1 外部扰动特征分布 11
1.2.2 被动机械隔振特性 14
1.2.3 主动稳定控制方法 15
1.3 光电跟踪系统扰动抑制研究现状 17
1.3.1 光电跟踪系统基于反馈闭环控制的扰动抑制研究现状 17
1.3.2 光电跟踪系统扰动观测研究现状 19
1.4 光电跟踪系统扰动观测挑战 24
1.5 本书体系结构.25
第2章 基础理论知识 28
2.1 传递函数 28
2.2 状态空间方程.29
2.3 传递函数和状态空间方程转换 31
2.3.1 传递函数到状态空间方程 31
2.3.2 状态空间方程到传递函数 33
2.4 光电跟踪系统的数学模型 34
2.4.1 理论建模法 34
2.4.2 实验辨识法 37
2.5 扰动观测理论.39
2.5.1 扰动观测器基础 39
2.5.2 扩张状态观测器基础 40
2.6 稳定性理论 46
2.6.1 Lyapunov稳定性判据 46
2.6.2 小增益定理 48
2.7 多回路闭环控制系统 50
2.8 本章小结 52
第3章 光电跟踪系统扰动测量和扰动观测器策略 53
3.1 基于扰动测量前馈的虚拟多闭环控制 54
3.1.1 问题描述 54
3.1.2 传感器融合滤波 54
3.1.3 控制设计 57
3.1.4 性能分析 60
3.1.5 仿真与实验验证 64
3.2 基于加速度测量的正向模型扰动观测器 72
3.2.1 问题描述 72
3.2.2 控制设计 73
3.2.3 性能分析 75
3.2.4 鲁棒性分析 77
3.2.5 仿真与实验验证 78
3.3 基于惯性稳定的部分补偿式扰动观测器 81
3.3.1 问题描述 81
3.3.2 控制设计 83
3.3.3 稳定性约束 84
3.3.4 性能分析 85
3.3.5 仿真与实验验证 92
3.4 基于惯性稳定的全补偿式扰动观测器 96
3.4.1 问题描述 96
3.4.2 控制设计 96
3.4.3 稳定性约束 97
3.4.4 性能分析 100
3.4.5 仿真与实验验证 106
3.5 本章小结 111
第4章 光电跟踪系统扩张状态扰动观测与补偿策略 112
4.1 基于模型构造扩张状态的虚拟双闭环反馈控制112
4.1.1 问题描述 112
4.1.2 控制设计 113
4.1.3 仿真与实验验证 116
4.2 基于扰动压缩的二次扩张状态观测器方法 119
4.2.1 问题描述 119
4.2.2 控制设计 120
4.2.3 稳定性约束 122
4.2.4 性能分析 127
4.2.5 仿真与实验验证 130
4.3 基于改进反步策略的多通道相位补偿自抗扰控制 135
4.3.1 问题描述 135
4.3.2 控制设计 138
4.3.3 稳定性分析 143
4.3.4 仿真与实验验证 144
4.4 基于跟踪脱靶量的扩张状态扰动观测方法 148
4.4.1 问题描述 148
4.4.2 控制设计 149
4.4.3 稳定性约束 150
4.4.4 仿真验证 153
4.5 本章小结 155
第5章 光电跟踪系统窄带扰动抑制策略 157
5.1 基于谐波扰动抑制的改进型重复控制 158
5.1.1 问题描述 158
5.1.2 控制设计 159
5.1.3 性能分析 160
5.1.4 鲁棒性分析 164
5.1.5 实验验证 166
5.2 基于改进型重复控制的误差观测器 168
5.2.1 问题描述 168
5.2.2 控制设计 168
5.2.3 稳定性约束 170
5.2.4 性能分析与仿真 172
5.2.5 实验验证 177
5.3 自适应窄带扰动观测器 180
5.3.1 问题描述 180
5.3.2 控制设计 181
5.3.3 性能分析 183
5.3.4 鲁棒性分析 186
5.3.5 仿真与实验验证 187
5.4 本章小结 190
第6章 复合扰动和分数阶扰动抑制策略 191
6.1 基于部分补偿式扰动观测器的串级自抗扰控制方法 191
6.1.1 问题描述 191
6.1.2 控制设计 192
6.1.3 稳定性约束 194
6.1.4 性能分析 198
6.1.5 仿真与实验分析 202
6.2 基于模糊系统的扩张状态观测器控制方法 209
6.2.1 问题描述 209
6.2.2 控制设计 210
6.2.3 稳定性约束 212
6.2.4 仿真与实验分析 215
6.3 基于分数阶控制的扰动抑制方法 221
6.3.1 问题描述 221
6.3.2 分数阶微积分的数学定义 221
6.3.3 分数阶系统的稳定性定理 222
6.3.4 控制设计 223
6.3.5 仿真与实验分析 227
6.4 本章小结 231
第7章 总结与展望 232
7.1 总结 232
7.2 展望 234
7.2.1 光电跟踪系统中抗扰技术的应用展望 234
试读
第1章绪论
1.1光电跟踪系统扰动观测研究背景及意义
1.1.1光电跟踪系统国内外发展及应用
光电跟踪系统是由光学和机械结构、光电传感器、电气驱动系统以及控制系统等构成的复杂精密装置，其主要功能是实现对运动目标的实时精密测量和跟踪，广泛应用于激光通信、运动跟踪[2]、天文观测等领域。传统意义的光电跟踪系统主要指地基望远镜，通常可分为单镜片地基望远镜和多镜片地基望远镜两类。顾名思义，单镜片地基望远镜的光学单元由单一镜片组成，但是受到力学极限、工艺制造等因素的制约，单镜片地基望远镜的镜片*大直径约为8mW，如图1.1所示为安装在美国夏威夷的昴星团望远镜（Subamtelescope)，其主镜孔径达到8.2m[5]。相比于单镜片地基望远镜，多镜片地基望远镜由于采取了多孔径结构可达到更大的镜面量级，从而实现更高的观测精度，如图1.1(b)所示为欧洲南方天文台多镜片望远镜，其主镜由798个子镜拼接形成，直径达到39.3m光电跟踪系统的主要任务是完成对运动目标的探测和跟踪。为了实现对运动目标的稳定跟踪，当运动目标出现在视场范围内时，目标捕获单元根据图像传感器获取运动目标的图像信息，并提取运动目标相对于系统视轴的位置偏差，即脱IE量。基于脱靶量，信号处理单元生成控制信号驱动运动执行机构，以减小脱靶量，使得运动目标始终位于视轴中心位置附近。因此，光电跟踪系统通常要求具备视场范围大、响应速度快的特点，以满足对运动目标的快速跟踪需求。早期光电跟踪系统采用粗跟踪机架的单级机械结构，受限于转动惯量大，响应速度慢，因此难以满足快速跟踪需求。针对早期光电跟踪系统的问题，研究人员提出复合轴光电跟踪系统，即在粗跟踪机架的基础上增加一级快速倾斜镜实现精跟踪，如图1.2所示。复合轴结构的粗跟踪机架为目标跟踪提供大范围视场，负责精跟踪的快速倾斜镜具备惯量小、机械谐振频率高、摩擦小的特点，可在视场范围内快速响应并跟踪运动目标。因此，复合轴光电跟踪系统利用快速响应的精跟踪减小粗跟踪的残余误差，突破传统光电跟踪系统的响应速度限制，进一步提升了跟踪精度。
目前主流的高精度跟踪设备，通常采用如图1.2所示的复合轴结构，其中精跟踪的跟踪和稳定能力是光电系统提示精度的关键。精跟踪平台的组成部分包括由电机驱动的反射镜、目标光源、电荷稱合器件（chargecoupled device，CCD)成像装置、惯性传感器、控制器等。快速倾斜镜作为精跟踪平台时，一般由音圈电机或压电陶瓷驱动，音圈电机具有结构简单、行程大、比推力大、频率响应高等优点。压电陶瓷虽然频响更高，但行程更小，而且存在非线性迟滞现象。当采用音圈电机驱动快速倾斜镜时，通常在正交轴上对称配置四个音圈电机。由于x-y轴的对称特性，两轴音圈电机互相解耦，只需要考虑单一方向上的控制问题。
随着应用领域的不断拓展，传统的地基式光电跟踪系统已经难以满足需求。为实现复杂场景下对运动目标的高精度跟踪，增强系统的机动性、灵活性以及通用性成为发展趋势，因此基于运动平台的光电跟踪系统被广泛研究和应用。根据应用场景的不同，光电跟踪系统逐渐发展到车载[7]、机载舰载、星载等运动平台上。几种常见的基于运动平台的光电跟踪系统如图1.3所示。
自20世纪70年代开始，美国、以色列、欧洲、日本等国家和地区大力开展光电跟踪系统研究，在多个关键技术领域取得了显著进展。这些研究成果不仅推动了光电跟踪平台技术的发展，也为相关应用领域如激光通信、航空光学和天文观测等提供了强有力的技术支持。
1.美国
美国作为世界上*早开展光电跟踪系统研制的国家之一，在光电探测领域掌握着领先技术，其代表性光电跟踪系统如图1.4所示。自20世纪ro年代以来，美国研制了多款光电跟踪系统，并用于机载和舰载环境的光电探测任务。具体而言，美国诺思罗普？格鲁曼公司和以色列拉斐尔先进防御系统公司共同研发了AN/AAQ-28(V)5LiteningG4多功能吊舱，其采取五轴五框架结构并搭载激光测距仪、红外探测器等多个高性能传感器。该吊舱的俯仰轴自由转动范围达到-120°～+30°，稳定精度小于20xl(T6rad[1G]，被广泛应用于机载环境。此外，菲利尔（FLIR)公司生产了多款基于机载的光电吊舱，其中以StarSAFIRE系列吊舱*具代表性。Star SAFIRE 380光电跟踪系统采用四轴结构框架，视轴稳定精度达25xl0-6rad。为提高稳定精度，StarSAFIREm采用五轴机械结构，达到了20xl(T6rad的稳定精度，而StarSAFIREHD在其基础上，搭载了短波红外传感器、激光指示器等八种传感器，利用多传感器数据将视轴稳定精度提高到18xl0-6rad，适用于跟踪多种环境条件下的运动目标。在StarSAFIRE系列基础上，FLIR公司改进了系统结构，采用六轴稳定和多传感器信息融合技术，研制出BRITEStar光电侦察平台，该设备具有主动聚焦彩色成像能力，稳定精度优于。此外，由于机载环境的特殊要求，光电跟踪系统需要满足小型化、轻量化的设计要求。由美国研制
