本文摘要：摘要：為了進一步提高光電平臺伺服控制系統(tǒng)的抗擾動能力，提出一種基于自抗擾控制器的改進型速度穩(wěn)定回路。首先，分析了平臺視軸穩(wěn)定回路的數(shù)學模型并引入電流環(huán)對其進行了化簡，通過伺服控制系統(tǒng)中擾動作用原理，引入擾動總和的思想。然后，設計含有降階擴
摘要：為了進一步提高光電平臺伺服控制系統(tǒng)的抗擾動能力，提出一種基于自抗擾控制器的改進型速度穩(wěn)定回路。首先，分析了平臺視軸穩(wěn)定回路的數(shù)學模型并引入電流環(huán)對其進行了化簡，通過伺服控制系統(tǒng)中擾動作用原理，引入擾動總和的思想。然后，設計含有降階擴張狀態(tài)觀測器的自抗擾控制器，對擾動總和實時觀測并進行線性化前饋補償。最后，以某型車載光電平臺為控制對象，進行了PI控制器與自抗擾控制器的對比實驗。實驗結果表明，采用自抗擾控制器伺服控制系統(tǒng)相比PI控制法的階躍響應速度更快，超調(diào)幅值僅為PI控制法的26.98%。使用搖擺臺引入的頻率為2.5Hz的正弦擾動，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差幅值僅為PI控制法的9.76%。在系統(tǒng)模型參數(shù)改變±15%范圍內(nèi)，自抗擾控制器仍具有良好的抗擾能力，表現(xiàn)出很強的魯棒性，滿足光電平臺的性能要求，對提升平臺抗擾能力有著較高的實用性。
關鍵詞：光電平臺;降階擴張狀態(tài)觀測器;改進型速度環(huán);前饋補償;抗擾能力；光電檢測論文
1引言
車載光電偵察設備在惡劣的環(huán)境中會受到多種多樣的干擾，這些擾動會直接影響跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。導致車載光電偵察平臺視軸穩(wěn)定精度下降的因素包括軸系間的摩擦力干擾以及載體震動干擾、環(huán)境干擾、載體行駛姿態(tài)的突然變化對平臺的速度干擾等[1]。因此，提高伺服控制系統(tǒng)的抗擾能力是提高視軸穩(wěn)定性、提高系統(tǒng)成像質(zhì)量的關鍵。提高速度環(huán)的帶寬、改進速度環(huán)的控制算法成為了重要突破點。
傳統(tǒng)光電偵察平臺的視軸控制回路大多采取PID控制算法[2]，其結構簡單、參數(shù)調(diào)節(jié)方便，擾動隔離度的高低取決于伺服控制系統(tǒng)帶寬的大小。為了避免微分環(huán)節(jié)對光纖陀螺等速度傳感器的測量噪聲放大而帶來高頻噪聲，在實際應用中僅使用PI控制[3]。PI控制法是以增大系統(tǒng)開環(huán)增益的方式來提升控制系統(tǒng)的帶寬，從而得到較高的控制精度。但這樣就降低了控制系統(tǒng)的相位裕量，影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。所以傳統(tǒng)PI控制法并不能滿足當代光電平臺的設計要求。擾動觀測器也應用于提高光電偵察平臺的抗擾能力，其使用被控對象的逆模型與低通濾波器的組合[5]。但對象逆模型會存在微分環(huán)節(jié)，依然會出現(xiàn)放大噪聲的問題。
自抗擾控制策略是韓京清教授提出的一種非線性控制理論，現(xiàn)已發(fā)展為一種基于擴張狀態(tài)觀測器(ExtandedStateObserver，ESO)的新型實用型非線性控制技術[6]。其設計方法簡單，不依賴于控制對象的數(shù)學模型，僅通過處理輸入信號以及輸出信號來提取擾動量，從而計算出系統(tǒng)中接收到的總擾動量，再將總擾動量的值取負前饋補償于控制量中，來“抵消”擾動的作用，達到抗擾的目的[7]。但在實際應用中發(fā)現(xiàn)，當設計的狀態(tài)觀測器階數(shù)越高，所需的權重因子的參數(shù)值就越大，而過大的參數(shù)值直接導致超調(diào)量增大，在一些情況下會出現(xiàn)高頻振蕩。同時高階觀測器的狀態(tài)觀測使得系統(tǒng)帶寬變小，大大降低伺服控制系統(tǒng)的抗擾能力[8-9]。針對這一問題，本文通過設計電流環(huán)來簡化復雜的電機模型，同時設計預測型擴張狀態(tài)觀測器(PredictiveESO)應用于視軸穩(wěn)定回路，以此實現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)抗擾能力的提升。
2光電平臺的數(shù)學模型及擾動分析
2.1平臺數(shù)學模型分析
光電偵察平臺伺服系統(tǒng)包括控制方位軸和俯仰軸，其相互獨立，并且根據(jù)目標在三維空間中的位置對其進行實時跟蹤。為達到光電平臺的高跟蹤精度、快響應、強魯棒性的要求，伺服控制系統(tǒng)采用包括電流環(huán)、速度環(huán)以及位置環(huán)構成的多閉環(huán)級聯(lián)復合控制回路[10]。平臺單軸視軸穩(wěn)定回路的控制結構圖如圖1所示。
基于預測ESO的自抗擾速度環(huán)設計
自抗擾控制器包含以下3部分非線性機制：非線性跟蹤微分器、非線性狀態(tài)偏差組合以及非線性擴張狀態(tài)觀測器。非線性機制可以取得高精度和高效率的反饋控制效果[12]。但是由于需整定的參數(shù)過多，給理論分析和工程設計帶來了極大困難。其參數(shù)只能通過在工程實踐中調(diào)試整定得出。當給定一個小信號輸入，非線性反饋所帶來的高穩(wěn)態(tài)增益很容易導致光電偵察平臺產(chǎn)生高頻起振現(xiàn)象[13]。為了解決這個問題，放棄使用非線性自抗擾控制(ActiveDisturbanceRejectCon-trol，ADRC)，改用線性ADRC控制策略。這樣不僅在實際應用中達到了更好的控制精度，而且簡化了ADRC控制器的結構并減少了需要調(diào)節(jié)的參數(shù)。本文采用線性ADRC控制器的改進型速度環(huán)以提高光電偵察平臺伺服控制系統(tǒng)的抗干擾能力。
3.1降階擴張狀態(tài)觀測器的設計
ADRC控制器的主要作用就是補償不確定系統(tǒng)，其最重要部分是擴張狀態(tài)觀測器(ExtandedStateObserver，ESO)。利用ESO將各種各樣的擾動響應作為一個擴張的狀態(tài)，通過這個擴張的狀態(tài)以及系統(tǒng)的輸出反饋量來實時估計和補償擾動。
仿真實驗
為了比較ADRC控制器對光電平臺伺服系統(tǒng)速度擾動的抑制程度，分別對引入和不引入ADRC控制器的平臺伺服控制系統(tǒng)進行對比仿真實驗。通過對控制系統(tǒng)加入已知擾動的情況下，觀察系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。單軸自抗擾速度環(huán)的simulink實驗控制結構圖如圖3所示。
ADRC與PI控制的對比實驗
為了比較自抗擾控制策略相對于傳統(tǒng)PI控制法對光電偵察平臺抗擾能力提升的程度，本文以某型車載光電偵察平臺作為控制對象，分別設計ADRC控制器以及PI控制器并做對比試驗。對比的方面主要包括：(1)視軸穩(wěn)定系統(tǒng)響應階躍信號是否迅速，超調(diào)量大小;(2)系統(tǒng)的抗擾動能力;(3)控制系統(tǒng)的魯棒性。實驗設備包括：裝載可見相機紅外相機的某型雙載光電平臺一臺;搖擺臺;計算機一臺;DSP仿真器一套。控制結構圖如圖5所示，其中u為系統(tǒng)輸入，y為系統(tǒng)輸出，d為總擾動，k為估計的系統(tǒng)模型：
5.1階躍響應實驗
階躍響應實驗方法：給平臺單軸控制系統(tǒng)輸入階躍信號的幅度值為3.05(°)/s，觀察其穩(wěn)定時間以及超調(diào)量。其階躍響應曲線如圖6所示。
圖中，采用PI控制器的視軸穩(wěn)定回路的階躍響應的穩(wěn)定時間為100ms，超調(diào)量為26.43%;應用了本文設計的ADRC控制器的改進型速度環(huán)的階躍響應穩(wěn)定時間為70ms，超調(diào)量為7.13%。經(jīng)對比實驗可見，加入了自抗擾控制器的改進型速度穩(wěn)定回路不僅階躍響應的穩(wěn)定時間比單純PI控制器縮短了30%，并且超調(diào)量也大大降低，其超調(diào)幅值僅為PI控制器超調(diào)幅值的33%。實驗表明ADRC控制器相比PI控制器具備更加優(yōu)良的動態(tài)性能。
5.2抗擾能力實驗
將光電穩(wěn)定平臺置于搖擺臺上，使平臺工作在穩(wěn)定狀態(tài)，使搖擺臺以幅度為1°、頻率小于2.5Hz做正弦運動模擬擾動。分別采用PI控制器和ADRC控制器時，對平臺負載的速度進行采樣，觀察控制系統(tǒng)抗擾能力。由于實驗中存在陀螺測量噪聲，使得曲線不夠平滑，但擾動殘余幅值扔清晰可見。應用PI控制器和ADRC控制器系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分別如圖7和圖8所示。
由圖中可以得出，在PI控制方法中加入AD-RC控制器相比傳統(tǒng)PI控制器具備更優(yōu)良的抗擾動能力。在表1的實驗數(shù)據(jù)中，使用同一光電平臺，在相同環(huán)境下，對平臺施加不同頻率的擾動，加入ADRC控制器速度環(huán)的穩(wěn)態(tài)誤差僅為是PI控制器的9.76%，對高頻擾動的抑制能力更優(yōu)。
6結論
本文根據(jù)車載光電偵察平臺伺服控制系統(tǒng)提升抗擾能力的需求，針對平臺伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型設計了基于預測型RESO的自抗擾控制器。在傳統(tǒng)PI控制法的基礎上加入新設計的ADRC控制器，使其對系統(tǒng)擾動觀測并實時補償。以某型光電平臺為實驗對象，在相同環(huán)境下對ADRC控制器與傳統(tǒng)PI控制器做階躍響應對比實驗以及在搖擺臺上做擾動隔離實驗。
實驗結果得出，應用了ADRC控制器的平臺伺服系統(tǒng)階躍響應穩(wěn)定時間為70ms，相比PI控制器縮短30%;超調(diào)量幅值僅為PI控制器的26.98%;在2.5Hz的擾動作用下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差幅值為PI控制器的9.76%。在模型增益在±15%范圍內(nèi)變化時，系統(tǒng)仍具備優(yōu)秀的抗擾能力，表現(xiàn)出強魯棒性。
綜上所述，本文提出的采用ADRC控制器的改進型速度環(huán)算法進一步提高了光電平臺視軸穩(wěn)定系統(tǒng)抑制干擾的能力。這為提升伺服控制系統(tǒng)性能提供了新的方法，且具備較高的實用性。
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