CN111736470B - 一种使用扰动观测器代替前馈的控制方法 - Google Patents

一种使用扰动观测器代替前馈的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使用扰动观测器代替前馈的控制方法，属于稳定平台控制系统设计技术领域。本发明提出的一种采用扰动观测器代替前馈控制的方法，节省了硬件成本，且具有良好的适应性。

Description

一种使用扰动观测器代替前馈的控制方法
技术领域
本发明属于稳定平台控制系统设计技术领域，具体涉及一种使用扰动观测器代替前馈的控制方法。
背景技术
多种应用场合中需要被控对象在所在平台运动过程中，保持相对惯性空间稳定，如坦克行驶过程中需要保持瞄准线和火炮稳定，以实现观察目标、火力打击；航拍无人机飞行过程中，需要其装备的摄像机保持稳定，以实现稳定摄像功能；直升飞机飞行过程中，需要其光电吊仓保持稳定，等等。
如图1所示，稳定控制系统由控制器、被控对象和测量环节组成。当需要被控对象保持不动时，系统输入为零，被控对象在系统扰动的作用下，偏离预定位置，产生控制误差；测量环节(普遍采用陀螺仪)采集到控制误差，输出给控制器；控制器一般采用PID控制形式，将控制误差进行放大，产生控制力矩使被控对象保持在预定位置。
稳定控制系统会受到各种扰动作用，如：所在平台运动引起的摩擦力扰动、供电电源的纹波扰动、模拟转数字信号的噪声扰动，其中摩擦力扰动为主要扰动。控制系统在扰动作用下的稳态误差值，反映了系统的抗干扰能力。在理想情况下，系统对任意形式的扰动作用，其稳态误差应该为零，但实际上是不可能实现的。
为了减小系统稳态误差，可以提高系统的开环增益，或者采用高型别系统，但是这两种方法都将影响系统的稳定性。因此，经常采用的措施是在反馈控制回路中加入前馈通路，组成一个前馈控制和反馈控制相组合的控制系统。前馈控制使用前馈环节(普遍采用陀螺仪)直接获取干扰信息，补偿给控制器，在不影响系统稳定性的情况下减小系统稳态误差，提高控制精度，这样的控制系统又称为复合控制系统。
采用前馈减小稳态误差存在两个缺点，一是增加硬件成本，二是前馈控制参数也需要整定，且整定后通常对某一特征的扰动效果较好，当扰动特性发生变化时，前馈的效果也会随之降低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何在不增加硬件成本的基础上提高了稳定平台控制系统的稳定效果。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种使用扰动观测器代替前馈的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、根据外部扰动的频率选择控制器带宽wc，在稳定控制系统测量环境测量得到被控对象当前位置y和被控对象运动速度ω，计算得到控制器控制量u0；
步骤二、根据被控对象当前位置y和上一解算周期的系统的总控制量u_old、上一解算周期的扰动观测输出z3_old，计算得到本解算周期系统的扰动观测值z3，进而根据控制器控制量u0、本解算周期系统的扰动观测值计算z3得到本解算周期系统的总控制量；
步骤三、系统的总控制量产生相应的控制力矩，驱动被控对象克服干扰力矩的影响，保持空间稳定。
优选地，步骤一中，控制器控制量u0的形式为：
u0＝kp(r-y)-kdω
其中，r为给定值，在稳定控制系统中为0；kp和kd分别为比例与微分的放大系数；
kp和kd进行如下取值：
Figure BDA0002555666570000031
优选地，步骤二中，控制器的形式为：
u＝u0-z3/b0
其中，u为系统的总控制量，b0代表了被控对象的特性，对应单位控制电流产生力矩引起的被控对象加速度；
扰动观测器的形式为：
Figure BDA0002555666570000032
其中，e为被控对象位置控制误差，z1为被控对象位置观测输出，z2为被控对象运动速度观测输出，w0大于wc；
扰动观测器的离散形式为
Figure BDA0002555666570000033
其中z1_old、z2_old、z3_old、u_old依次为被控对象位置观测输出、被控对象速度观测输出、扰动观测输出、系统的总控制量在上一次解算中的数值，h为解算周期。
优选地，wc不小于外部扰动的频率。
优选地，z3大于wc。
优选地，b0根据控制系统实际情况进行调节。
优选地，z3可代替前馈环节输出，起前馈作用。
优选地，对于模型已知的被控对象，计算确定控制参数b0；若被控对象模型未知，通过实际测量系统电流和对象加速度进行计算。
优选地，，对于wc、w0，按照w0＝3wc的关系，先选取预设的较小的wc值，在系统稳定的情况下逐步增大，直到噪声影响系统出现振荡。
本发明还提供了一种所述的方法基于所述的方法实现的使用扰动观测器的稳定控制系统。
(三)有益效果
本发明具有如下优点：
1、采用扰动观测器实现对稳定平台扰动的观测，将观测到的扰动情况补偿回控制信号，改善了系统的动态性能，提高了系统适应性。
2、扰动观测器可代替前馈环节，不增加稳定控制系统硬件成本，且当系统扰动发生变化时扰动观测器相对于前馈环节有更良好的适应性。
3、控制器和扰动观测器仅有3个控制参数b0、wc、w0，参数易于调节，且给出了明确的调整方法。
附图说明
图1现有稳定控制系统组成图；
图2为加入前馈环节的稳定控制系统原理图；
图3为使用扰动观测器的稳定控制系统原理图；
图4为没有扰动观测器补偿的稳定效果图；
图5为施加扰动观测器补偿的稳定效果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提出一种采用扰动观测器代替前馈控制的方法，节省硬件成本，且具有良好的适应性。本发明的原理是使用如图3所示的扰动观测器代替前馈环节，测量系统扰动并补偿给控制器，以提高控制效果。本发明提供的一种采用扰动观测器代替前馈控制的方法包括以下步骤：
步骤一、根据外部扰动的频率选择控制器带宽wc，一般要求不小于外部扰动的频率，系统测量环境测量得到被控对象当前位置y和被控对象运动速度ω，计算得到控制器控制量(即控制器原始输出)u0；
控制器原始输出u0的形式为：
u0＝kp(r-y)-kdω
其中，r为给定值，在稳定控制系统中为0；kp和kd分别为比例(P)与微分(d)的放大系数。
为简化控制器参数，kp和kd进行如下取值：
Figure BDA0002555666570000051
步骤二、根据被控对象当前位置y和上一解算周期的系统的总控制量u_old、上一解算周期的扰动观测输出z3_old，计算得到本解算周期系统的扰动观测值z3，进而根据控制器控制量u0、本解算周期系统的扰动观测值计算z3(其中一般选取大于wc)得到本解算周期系统的总控制量；
其中，本发明中控制器的形式为：
u＝u0-z3/b0
其中，u为系统的总控制量，u0为控制器原始输出，z3为扰动观测器输出，为扰动观测输出，b0代表了被控对象的特性，对应单位控制电流产生力矩引起的被控对象加速度，需根据控制系统实际情况进行调节。
扰动观测器的形式为：
Figure BDA0002555666570000061
其中，e为被控对象位置控制误差，z1为被控对象位置观测输出，z2为被控对象运动速度观测输出，w0为扰动观测器带宽，w0大于wc。z3可代替前馈环节输出，起前馈作用。
扰动观测器的离散形式为
Figure BDA0002555666570000062
其中z1_old、z2_old、z3_old、u_old依次为被控对象位置观测输出、被控对象速度观测输出、扰动观测输出、系统的总控制量在上一次解算中的数值，h为解算周期。
步骤三、系统的总控制量产生相应的控制力矩，驱动被控对象克服干扰力矩的影响，保持空间稳定。
本发明中共3个需要调节的参数，分别为b0、wc、w0，参数调节较为简单，其配置方法为：
(1)对于模型已知的被控对象，计算确定控制参数b0；若被控对象模型未知，可通过实际测量系统电流和对象加速度进行计算；
(2)按照w0＝3wc的关系，先选取较小的wc值，在系统稳定的情况下逐步增大，直到噪声影响系统出现明显振荡。
本发明在某稳定平台上实施效果如下：
在1hz，2°的正弦扰动作用下，未施加扰动观测补偿时对象的稳定精度曲线如图4所示。稳定精度计算为0.72mrad。同样扰动作用下，施加扰动观测补偿时对象的稳定精度曲线如图5所示。稳定精度计算为0.46mrad，可见扰动观测器显著提高了稳定效果。
可以看出，本发明在不增加硬件成本的基础上提高了稳定平台控制系统的稳定效果，且有良好的适应性，参数易于整定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种使用扰动观测器代替前馈的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据外部扰动的频率选择控制器带宽wc，在稳定控制系统测量环境测量得到被控对象当前位置y和被控对象运动速度ω，计算得到控制器控制量u0；
步骤二、根据被控对象当前位置y和上一解算周期的系统的总控制量u_old、上一解算周期的扰动观测输出z3_old，计算得到本解算周期系统的扰动观测值z3，进而根据控制器控制量u0、本解算周期系统的扰动观测值z3计算得到本解算周期系统的总控制量；
步骤三、系统的总控制量产生相应的控制力矩，驱动被控对象克服干扰力矩的影响，保持空间稳定；
步骤一中，控制器控制量u0的形式为：
u0＝kp(r-y)-kdω
其中，r为给定值，在稳定控制系统中为0；kp和kd分别为比例与微分的放大系数；
kp和kd进行如下取值：
Figure FDA0003540540190000021
步骤二中，控制器的形式为：
u＝u0-z3/b0
其中，u为系统的总控制量，b0代表了被控对象的特性，对应单位控制电流产生力矩引起的被控对象加速度；
扰动观测器的形式为：
Figure FDA0003540540190000022
其中，e为被控对象位置控制误差，z1为被控对象位置观测输出，z2为被控对象运动速度观测输出，w0为扰动观测器带宽，w0大于wc；
扰动观测器的离散形式为：
Figure FDA0003540540190000023
其中z1_old、z2_old、z3_old、u_old依次为被控对象位置观测输出、被控对象速度观测输出、扰动观测输出、系统的总控制量在上一次解算中的数值，h为解算周期。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，wc不小于外部扰动的频率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，z3大于wc。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，b0根据控制系统实际情况进行调节。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，z3可代替前馈环节输出，起前馈作用。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对于模型已知的被控对象，计算确定控制参数b0；若被控对象模型未知，通过实际测量系统电流和对象加速度进行计算。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于wc、w0，按照w0＝3wc的关系，先选取预设的较小的wc值，在系统稳定的情况下逐步增大，直到噪声影响系统出现振荡。
8.一种基于如权利要求1至7中任一项所述的方法实现的使用扰动观测器的稳定控制系统。
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