CN110554603A - 基于扰动观测分数阶控制器的光电稳瞄平台控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于扰动观测分数阶控制器的光电稳瞄平台控制方法，属于高精度跟踪控制领域。选择两轴两框架速率式陀螺稳定平台，构建扰动观测分数阶控制系统，包括具有高精度、高灵活性的分数阶控制律FOPI，以及具有扰动观测能力的扩张状态观测器ESO。本发明继承了分数阶控制响应速度快、高精度的特点，并吸收了扰动观测器抗干扰能力的优势，扰动观测器可以有效地克服外界扰动和系统不确定因素对光电稳瞄平台性能的影响，在此基础上结合分数阶控制率可以提高系统的响应速度，减小系统稳态误差，提高了光电稳瞄平台的视轴稳定精度和扰动抑制能力。

Description

基于扰动观测分数阶控制器的光电稳瞄平台控制方法

技术领域

本发明属于高精度跟踪控制领域，尤其涉及一种针对光电稳瞄平台的扰动观测分数阶控制方法。

背景技术

光电稳瞄平台是集光机电为一体的探测设备，具有跟踪精度高、实时性好、图像显示清晰和抗干扰能力强等功能，在军用和民用工程领域有着广泛的应用。军用方面，随着武器装备水平的发展，对装备的快速反应、稳定、瞄准、跟踪和打击能力都提出了更高的要求，因而对高精度的光电稳瞄平台的需求变得更为迫切；如在光电稳瞄平台上搭载电子对抗干扰装置，可有效地进行电子战；对于坦克、装甲战车等地面车辆，可以利用车载光电稳瞄平台来隔离车辆运动时对平台上设备姿态的影响，使其在各种条件下完成对目标信号的截获、识别和跟踪。民用方面，车载稳定平台已被广泛运用于抢险救灾、公安消防、环境监测等多种行业；如在无人机上装配光电稳瞄平台，可用于电力巡线、环境监测、城镇区域规划等。综上所述，光电稳瞄平台在军事和民用等各个领域都已有很广泛的应用。

光电稳瞄平台要实现对目标精确测量和跟踪必须采用视轴稳定技术，为测量设备提供具有空间稳定性的惯性基准。随着对探测分辨率和探测距离要求的逐渐提高，探测设备对视轴稳定精度提出了更高的要求。如何在存在载体扰动的情况下保证视轴高精度地指向目标逐渐成为研究人员关注的重点。视轴稳定方法主要包括陀螺稳定、齿轮传动稳定、光学稳定和电子学稳定等，其中陀螺稳定方法作为惯性技术应用的重要组成部分，是研究视轴稳定的重要方法之一。目前，陀螺稳定方法多采用经典的PID控制技术，即在稳定平台稳定回路的基础上，针对系统中某种较大的影响因素加以补偿，难以使稳定平台具有较高的控制精度和跟踪性能。快速跟踪能力意味着系统响应要快，过渡过程要短；高控制精度意味着系统稳态误差要小，抗干扰能力要强。因此，为了实现光电稳瞄平台的高精度稳定和快速跟踪要求，需要研究采用一种新的控制系统，以实现更佳的控制效果。

发明内容

本发明提供一种基于扰动观测分数阶控制器的光电稳瞄平台控制方法，以实现光电稳瞄平台的高精度稳定和快速跟踪要求。

本发明采取的技术方案是：包括下列步骤：

(一)、选择两轴两框架速率式陀螺稳定平台，平台采用力矩电机进行驱动，通过角速率陀螺敏感相对于惯性空间的角速率，采用高精度角编码器测量角位置；由于两轴两框架稳定平台的方位轴和俯仰轴相互正交，二者之间扰动的耦合影响可以忽略不计，而且两轴的控制方法相似，都由速度环与位置环构成，所以以方位轴的速度环作为被控对象；基于电流环的光电稳瞄平台速度环被控对象传递函数为

其中，s为拉普拉斯算子，K为被控对象开环增益；

(二)、构建扰动观测分数阶控制系统

v为系统输入信号，是系统要达到的期望值；y为系统输出量，是系统输出的实际值；ESO为扩张状态观测器，它的输入为被控对象G_p(s)的实际输出量y和控制量u，通过选择适当的ESO参数a，δ，b₀，β₀₁，β₀₂估计出被控对象G_p(s)的输出量z₁，及总扰动的观测量z₂；将输入信号v和反馈信号z₁做差得到的误差信号e，采用分数阶控制律FOPI根据误差信号值的大小，产生初始控制量u₀，将初始控制量u₀减去广义扰动观测量z₂得到被控对象G_p(s)的控制量u，其中b₀为补偿因子，其功能为对信号进行放大或缩小；其中：

FOPI控制律传递函数如下：

其中K_p，K_i为控制参数，λ为分数阶微分阶次；

具有扰动观测能力的扩张状态观测器ESO控制律如下：

其中，z₁和z₂为扩张状态观测器的输出，z₁跟踪输出y，z₂为总扰动的观测量，ESO共有5个参数，分别为a，δ，b₀，β₀₁，β₀₂，其中参数a，δ是非线性函数fal()的参数；β₀₁，β₀₂为扩张状态观测器的修正系数；b₀为补偿因子。

本发明的有益效果：针对光电稳瞄平台的应用需求，为满足光电稳瞄平台速度快、高精度、强鲁棒性的控制要求，本发明提出了一种针对光电稳瞄平台的扰动观测分数阶控制系统，该方法继承了分数阶控制响应速度快、高精度的特点，并吸收了扰动观测器抗干扰能力的优势。扰动观测器可以有效地克服外界扰动和系统不确定因素对光电稳瞄平台性能的影响，在此基础上结合分数阶控制率可以提高系统的响应速度，减小系统稳态误差，提高了光电稳瞄平台的视轴稳定精度和扰动抑制能力。

实验结果表明，系统存在扰动时，所提出的扰动观测分数阶控制系统可以有效地提高光电稳瞄系统的动态性能、鲁棒性和抗干扰性，较好地改善了光电稳瞄平台的控制效果。

附图说明

图1是本发明原理图；

图2是三种控制器阶跃响应比较图；

图3a是PI控制器力矩扰动残余量图；

图3b是分数阶控制器(FOPI)力矩扰动残余量图；

图3c是扰动观测分数阶控制器力矩扰动残余量图；

图4a是PI控制器载机角速度扰动残余量图；

图4b是分数阶控制器(FOPI)载机角速度扰动残余量图；

图4c是扰动观测分数阶控制器载机角速度扰动残余量图；

图5是增益变化阶跃响应图；

图6是模型阶次变化阶跃响应图。

具体实施方式

包括下列步骤：

(一)、选择两轴两框架速率式陀螺稳定平台，平台采用力矩电机进行驱动，通过角速率陀螺敏感相对于惯性空间的角速率，采用高精度角编码器测量角位置；由于两轴两框架稳定平台的方位轴和俯仰轴相互正交，二者之间扰动的耦合影响可以忽略不计，而且两轴的控制方法相似，都由速度环与位置环构成，所以以方位轴的速度环作为被控对象；基于电流环的光电稳瞄平台速度环被控对象传递函数为

其中，s为拉普拉斯算子，K为被控对象开环增益；

(二)、构建扰动观测分数阶控制系统，如图1所示，

v为系统输入信号，是系统要达到的期望值；y为系统输出量，是系统输出的实际值；ESO为扩张状态观测器，它的输入为被控对象G_p(s)的实际输出量y和控制量u，通过选择适当的ESO参数a，δ，b₀，β₀₁，β₀₂估计出被控对象G_p(s)的输出量z₁，及总扰动的观测量z₂；将输入信号v和反馈信号z₁做差得到的误差信号e，采用分数阶控制律FOPI根据误差信号值的大小，产生初始控制量u₀，将初始控制量u₀减去广义扰动观测量z₂得到被控对象G_p(s)的控制量u，其中b₀为补偿因子，其功能为对信号进行放大或缩小；其中：

FOPI控制律传递函数如下：

其中K_p，K_i为控制参数，λ为分数阶微分阶次；

具有扰动观测能力的扩张状态观测器ESO控制律如下：

其中，z₁和z₂为扩张状态观测器的输出，z₁跟踪输出y，z₂为总扰动的观测量，ESO共有5个参数，分别为a，δ，b₀，β₀₁，β₀₂，其中参数a，δ是非线性函数fal()的参数；β₀₁，β₀₂为扩张状态观测器的修正系数；b₀为补偿因子。

下面结合具体实施例以及附图对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的具体实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

假设某型两轴两框架速率式陀螺稳定平台，基于电流环的光电稳瞄平台速度环被控对象传递函数为其中K＝30。

为验证所提出方法的有效性，采用PI控制器、分数阶控制器和扰动观测分数阶控制器分别进行阶跃响应测试、扰动抑制能力测试和模型摄动鲁棒性测试实验。三种控制方法参数选择如下：

PI控制器：K_p＝1.1223，K_i＝11.223

分数阶控制器(FOPI)：K_p＝30，K_i＝1，λ＝2.6

扰动观测分数阶控制器(STFOPI)：K_p＝400，K_i＝0.1，μ＝1.3，b₀＝7.87，δ＝120，β₀₁＝4000，β₀₂＝50000

(1)阶跃响应测试

参考输入信号类型为阶跃信号，信号幅值为1°/s。通过设计三种控制器参数，可以将三种控制器阶跃响应调整到相似的控制效果，如图2所示。其中三种控制器的参数选择原则为：保证光电稳瞄系统具有相同的响应特性，为进一步验证三种系统的扰动抑制能力提供必要前提。

(2)扰动抑制能力测试

光电稳瞄平台在工作过程中会受到各种扰动，主要针对影响光电稳瞄平台工作性能的力矩扰动、载机角速度扰动进行分析。给定输入信号为0°/s，保持控制器参数不变，分别在系统中加入幅值为0.2N.m，频率为1Hz的平台力矩扰动，以及幅值为12.56°/s，频率为1Hz的载机角速度扰动，结果如图3a～3c、图4a～4c所示。

由图3a～3c可见，扰动观测分数阶控制器力矩扰动残余均方根为0.0018°/s，FOPI控制器力矩扰动残余均方根为0.0471°/s，PI控制器力矩扰动残余均方根为0.1391°/s。图4a～4c可见，扰动观测分数阶控制器载机角速度扰动残余均方根为0.0032°/s，FOPI控制器载机角速度扰动残余均方根为0.062°/s，PI控制器载机角速度扰动残余均方根为0.1841°/s。通过三种控制方法的比较，可以看出扰动观测分数阶控制系统表现出很强的扰动抑制能力。

(3)模型摄动鲁棒性测试

由于被控对象建模时会存在偏差，为验证扰动观测分数阶控制器对模型摄动的鲁棒性，保持控制器参数不变，将被控对象增益K变化±50％，给定信号幅值不变，阶跃响应曲线如图5所示。在对被控对象建模时，模型阶次也容易产生一定偏差，为验证系统针对这种模型摄动的鲁棒性，保持控制器参数不变，假设被控对象的传递函数变为如下G₁，G₂，G₃形式。系统的阶跃响应如图6所示，可以看出，当被控对象模型阶次不变的情况下，系统的阶跃响应基本不会有太大变化。当被控对象阶次增加时，控制系统会产生微弱的超调，但仍然可以在极短时间内达到稳定，其响应特性满足稳定平台的控制要求。

从图5、6中可以看出，无论是被控对象增益变化或者是模型阶次变化，系统的阶跃响应基本不会有太大变化，满足了光电稳瞄平台的高鲁棒性控制要求。通过以上研究表明，扰动观测分数阶控制系统对模型的摄动具有很好的鲁棒性。

Claims (2)

1.一种基于扰动观测分数阶控制器的光电稳瞄平台控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

(一)、选择两轴两框架速率式陀螺稳定平台，平台采用力矩电机进行驱动，通过角速率陀螺敏感相对于惯性空间的角速率，采用高精度角编码器测量角位置；由于两轴两框架稳定平台的方位轴和俯仰轴相互正交，二者之间扰动的耦合影响可以忽略不计，而且两轴的控制方法相似，都由速度环与位置环构成，所以以方位轴的速度环作为被控对象；基于电流环的光电稳瞄平台速度环被控对象传递函数为

其中，s为拉普拉斯算子，K为被控对象开环增益；

(二)、构建扰动观测分数阶控制系统

v为系统输入信号，是系统要达到的期望值；y为系统输出量，是系统输出的实际值；ESO为扩张状态观测器，它的输入为被控对象G_p(s)的实际输出量y和控制量u，通过选择适当的ESO参数a，δ，b₀，β₀₁，β₀₂估计出被控对象G_p(s)的输出量z₁，及总扰动的观测量z₂；将输入信号v和反馈信号z₁做差得到的误差信号e，采用分数阶控制律FOPI根据误差信号值的大小，产生初始控制量u₀，将初始控制量u₀减去广义扰动观测量z₂得到被控对象G_p(s)的控制量u，其中b₀为补偿因子，其功能为对信号进行放大或缩小；其中：

FOPI控制律传递函数如下：

其中K_p，K_i为控制参数，λ为分数阶微分阶次。

2.根据权利要求1所述的一种基于扰动观测分数阶控制器的光电稳瞄平台控制方法，其特征在于，具有扰动观测能力的扩张状态观测器ESO控制律如下：

其中，z₁和z₂为扩张状态观测器的输出，z₁跟踪输出y，z₂为总扰动的观测量，ESO共有5个参数，分别为a，δ，b₀，β₀₁，β₀₂，其中参数a，δ是非线性函数fal()的参数；β₀₁，β₀₂为扩张状态观测器的修正系数；b₀为补偿因子。