本文摘要：摘要：為了進(jìn)一步提高光電平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力，提出一種基于自抗擾控制器的改進(jìn)型速度穩(wěn)定回路。首先，分析了平臺(tái)視軸穩(wěn)定回路的數(shù)學(xué)模型并引入電流環(huán)對(duì)其進(jìn)行了化簡(jiǎn)，通過(guò)伺服控制系統(tǒng)中擾動(dòng)作用原理，引入擾動(dòng)總和的思想。然后，設(shè)計(jì)含有降階擴(kuò)
摘要：為了進(jìn)一步提高光電平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力，提出一種基于自抗擾控制器的改進(jìn)型速度穩(wěn)定回路。首先，分析了平臺(tái)視軸穩(wěn)定回路的數(shù)學(xué)模型并引入電流環(huán)對(duì)其進(jìn)行了化簡(jiǎn)，通過(guò)伺服控制系統(tǒng)中擾動(dòng)作用原理，引入擾動(dòng)總和的思想。然后，設(shè)計(jì)含有降階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的自抗擾控制器，對(duì)擾動(dòng)總和實(shí)時(shí)觀測(cè)并進(jìn)行線性化前饋補(bǔ)償。最后，以某型車載光電平臺(tái)為控制對(duì)象，進(jìn)行了PI控制器與自抗擾控制器的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)速度更快，超調(diào)幅值僅為PI控制法的26.98%。使用搖擺臺(tái)引入的頻率為2.5Hz的正弦擾動(dòng)，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(qiáng)的魯棒性，滿足光電平臺(tái)的性能要求，對(duì)提升平臺(tái)抗擾能力有著較高的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：光電平臺(tái);降階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器;改進(jìn)型速度環(huán);前饋補(bǔ)償;抗擾能力；光電檢測(cè)論文
1引言
車載光電偵察設(shè)備在惡劣的環(huán)境中會(huì)受到多種多樣的干擾，這些擾動(dòng)會(huì)直接影響跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。導(dǎo)致車載光電偵察平臺(tái)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(dòng)干擾、環(huán)境干擾、載體行駛姿態(tài)的突然變化對(duì)平臺(tái)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(guān)鍵。提高速度環(huán)的帶寬、改進(jìn)速度環(huán)的控制算法成為了重要突破點(diǎn)。
傳統(tǒng)光電偵察平臺(tái)的視軸控制回路大多采取PID控制算法[2]，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)調(diào)節(jié)方便，擾動(dòng)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(duì)光纖陀螺等速度傳感器的測(cè)量噪聲放大而帶來(lái)高頻噪聲，在實(shí)際應(yīng)用中僅使用PI控制[3]。PI控制法是以增大系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益的方式來(lái)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(dāng)代光電平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。擾動(dòng)觀測(cè)器也應(yīng)用于提高光電偵察平臺(tái)的抗擾能力，其使用被控對(duì)象的逆模型與低通濾波器的組合[5]。但對(duì)象逆模型會(huì)存在微分環(huán)節(jié)，依然會(huì)出現(xiàn)放大噪聲的問(wèn)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(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ExtandedStateObserver，ESO)的新型實(shí)用型非線性控制技術(shù)[6]。其設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，不依賴于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，僅通過(guò)處理輸入信號(hào)以及輸出信號(hào)來(lái)提取擾動(dòng)量，從而計(jì)算出系統(tǒng)中接收到的總擾動(dòng)量，再將總擾動(dòng)量的值取負(fù)前饋補(bǔ)償于控制量中，來(lái)“抵消”擾動(dòng)的作用，達(dá)到抗擾的目的[7]。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)計(jì)的狀態(tài)觀測(cè)器階數(shù)越高，所需的權(quán)重因子的參數(shù)值就越大，而過(guò)大的參數(shù)值直接導(dǎo)致超調(diào)量增大，在一些情況下會(huì)出現(xiàn)高頻振蕩。同時(shí)高階觀測(cè)器的狀態(tài)觀測(cè)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(duì)這一問(wèn)題，本文通過(guò)設(shè)計(jì)電流環(huán)來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)雜的電機(jī)模型，同時(shí)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)型擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(PredictiveESO)應(yīng)用于視軸穩(wěn)定回路，以此實(shí)現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)抗擾能力的提升。
2光電平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型及擾動(dòng)分析
2.1平臺(tái)數(shù)學(xué)模型分析
光電偵察平臺(tái)伺服系統(tǒng)包括控制方位軸和俯仰軸，其相互獨(dú)立，并且根據(jù)目標(biāo)在三維空間中的位置對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。為達(dá)到光電平臺(tái)的高跟蹤精度、快響應(yīng)、強(qiáng)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(gòu)成的多閉環(huán)級(jí)聯(lián)復(fù)合控制回路[10]。平臺(tái)單軸視軸穩(wěn)定回路的控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
基于預(yù)測(cè)ESO的自抗擾速度環(huán)設(shè)計(jì)
自抗擾控制器包含以下3部分非線性機(jī)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(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器。非線性機(jī)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(guò)多，給理論分析和工程設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大困難。其參數(shù)只能通過(guò)在工程實(shí)踐中調(diào)試整定得出。當(dāng)給定一個(gè)小信號(hào)輸入，非線性反饋所帶來(lái)的高穩(wěn)態(tài)增益很容易導(dǎo)致光電偵察平臺(tái)產(chǎn)生高頻起振現(xiàn)象[13]。為了解決這個(gè)問(wèn)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(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了更好的控制精度，而且簡(jiǎn)化了ADRC控制器的結(jié)構(gòu)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(jìn)型速度環(huán)以提高光電偵察平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的抗干擾能力。
3.1降階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)
ADRC控制器的主要作用就是補(bǔ)償不確定系統(tǒng)，其最重要部分是擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ExtandedStateObserver，ESO)。利用ESO將各種各樣的擾動(dòng)響應(yīng)作為一個(gè)擴(kuò)張的狀態(tài)，通過(guò)這個(gè)擴(kuò)張的狀態(tài)以及系統(tǒng)的輸出反饋量來(lái)實(shí)時(shí)估計(jì)和補(bǔ)償擾動(dòng)。
仿真實(shí)驗(yàn)
為了比較ADRC控制器對(duì)光電平臺(tái)伺服系統(tǒng)速度擾動(dòng)的抑制程度，分別對(duì)引入和不引入ADRC控制器的平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)加入已知擾動(dòng)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(shí)驗(yàn)控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
ADRC與PI控制的對(duì)比實(shí)驗(yàn)
為了比較自抗擾控制策略相對(duì)于傳統(tǒng)PI控制法對(duì)光電偵察平臺(tái)抗擾能力提升的程度，本文以某型車載光電偵察平臺(tái)作為控制對(duì)象，分別設(shè)計(jì)ADRC控制器以及PI控制器并做對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)比的方面主要包括：(1)視軸穩(wěn)定系統(tǒng)響應(yīng)階躍信號(hào)是否迅速，超調(diào)量大小;(2)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力;(3)控制系統(tǒng)的魯棒性。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：裝載可見(jiàn)相機(jī)紅外相機(jī)的某型雙載光電平臺(tái)一臺(tái);搖擺臺(tái);計(jì)算機(jī)一臺(tái);DSP仿真器一套�？刂平Y(jié)構(gòu)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(dòng)，k為估計(jì)的系統(tǒng)模型：
5.1階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)
階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法：給平臺(tái)單軸控制系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)的幅度值為3.05(°)/s，觀察其穩(wěn)定時(shí)間以及超調(diào)量。其階躍響應(yīng)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(yīng)的穩(wěn)定時(shí)間為100ms，超調(diào)量為26.43%;應(yīng)用了本文設(shè)計(jì)的ADRC控制器的改進(jìn)型速度環(huán)的階躍響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間為70ms，超調(diào)量為7.13%。經(jīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，加入了自抗擾控制器的改進(jìn)型速度穩(wěn)定回路不僅階躍響應(yīng)的穩(wěn)定時(shí)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(shí)驗(yàn)表明ADRC控制器相比PI控制器具備更加優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。
5.2抗擾能力實(shí)驗(yàn)
將光電穩(wěn)定平臺(tái)置于搖擺臺(tái)上，使平臺(tái)工作在穩(wěn)定狀態(tài)，使搖擺臺(tái)以幅度為1°、頻率小于2.5Hz做正弦運(yùn)動(dòng)模擬擾動(dòng)。分別采用PI控制器和ADRC控制器時(shí)，對(duì)平臺(tái)負(fù)載的速度進(jìn)行采樣，觀察控制系統(tǒng)抗擾能力。由于實(shí)驗(yàn)中存在陀螺測(cè)量噪聲，使得曲線不夠平滑，但擾動(dòng)殘余幅值扔清晰可見(jiàn)。應(yīng)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(dòng)能力。在表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，使用同一光電平臺(tái)，在相同環(huán)境下，對(duì)平臺(tái)施加不同頻率的擾動(dòng)，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(duì)高頻擾動(dòng)的抑制能力更優(yōu)。
6結(jié)論
本文根據(jù)車載光電偵察平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)提升抗擾能力的需求，針對(duì)平臺(tái)伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了基于預(yù)測(cè)型RESO的自抗擾控制器。在傳統(tǒng)PI控制法的基礎(chǔ)上加入新設(shè)計(jì)的ADRC控制器，使其對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)并實(shí)時(shí)補(bǔ)償。以某型光電平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在相同環(huán)境下對(duì)ADRC控制器與傳統(tǒng)PI控制器做階躍響應(yīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)以及在搖擺臺(tái)上做擾動(dòng)隔離實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，應(yīng)用了ADRC控制器的平臺(tái)伺服系統(tǒng)階躍響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)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(dòng)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(shí)，系統(tǒng)仍具備優(yōu)秀的抗擾能力，表現(xiàn)出強(qiáng)魯棒性。
綜上所述，本文提出的采用ADRC控制器的改進(jìn)型速度環(huán)算法進(jìn)一步提高了光電平臺(tái)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(shí)用性。
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