CN112286042A - 基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法，其克服了现有技术中光电稳瞄平台稳定性差、目标跟踪速度慢、干扰影响大，算法无法工程化应用的问题。本发明包括以下步骤：首先，建立光电稳瞄平台的状态空间模型。其次，引入类稳态控制率，使系统在平衡点处保持稳定。然后，引入参考动态前馈控制率，增强系统的动态跟踪性能。接着引入状态反馈控制率，进一步减小稳态误差，提高系统动态特性。最后，结合扩张状态控制器，使系统具有更好的鲁棒性和稳定性。

Description

基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法

技术领域：

本发明属于先进控制技术领域，涉及一种光电稳瞄平台线性控制方法，尤其是涉及一种基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法。

背景技术：

光电稳瞄平台是隔离载体运动干扰，保持平台内部的光学载荷稳定的先进战略设备，对目标的观察和跟踪起着十分重要的作用。光电稳瞄平台可与多种载体相结合，例如：与导弹制导装置结合，可以对远距离的军事目标进行精准的打击；与电子对抗武器装备结合，可以有效的实现电子干扰和防御；地面作战时，坦克、战车等车辆在进行瞄准攻击时需要隔离车辆行驶过程中受到的干扰，光电稳瞄平台的应用可以使地面车辆获得一定的稳定跟踪、瞄准能力，使作战人员能够清楚地掌握战场情况从而做出正确的判断；海上作战时，舰船系统中装备的光电稳瞄平台可以减弱由于水面晃动导致的天线波束指向的不稳定性，有利于舰载火控雷达实现对作战目标的跟踪和观测。

光电稳瞄平台广泛应用于导弹、飞机、船舶和车辆等运动载体，由于设备制造时，受到加工工艺的限制，导致平台框架质量不均衡，并且设备长期暴露在外部环境中，易受风阻、振动的影响，导致光学成像系统的图像清晰度下降，甚至无法锁定目标。因此，如何保证光电稳瞄平台具有较高的稳定性是实现目标的精准跟踪和制导的关键。仅仅通过改进精密机械加工和装配等技术并不能完全解决上述问题，还需要在采取有效的控制方案，使光电稳瞄平台系统能够始终保持稳定。

目前，实际应用中的光电稳瞄平台控制方法主要还是以经典的PID控制为主，但已经有很多学者在控制方法的改进上做了大量积极的尝试。控制方法的改进主要从两个方面进行，一是建立在经典控制理论的基础上，针对影响系统稳定性的因素进行补偿或改进。例如为了解决系统中的噪声问题，有学者提出了基于Kalman滤波和小波变换阈值滤波等滤波算法的控制方法，有效提高了控制系统的稳定性能。二是建立在现代控制理论的基础上，对一些先进的控制方法进行了研究与应用，如鲁棒控制、模糊控制、滑模变结构控制、自抗扰控制、自适应控制等。基于经典控制理论的改进方法，有一些已经被应用于实际的机载光电稳瞄平台控制系统中，但这些改进一般只能解决特定的影响因素而无法使光电稳瞄平台获得较高的控制精度和稳定性能。而基于现代控制理论的控制方法往往对被控对象的模型信息依赖性很大，并且实施较为困难，所以大部分仍处于实验研究阶段，还没能广泛的应用于实际系统中。因此，研究一种简单有效的控制策略使光电稳瞄平台可以克服各种因素的影响，提升系统稳定性，实现对目标的快速、稳定地瞄准和跟踪具有重要的实际意义和研究价值。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法，其克服了现有技术中光电稳瞄平台稳定性差、目标跟踪速度慢、干扰影响大，算法无法工程化应用的问题，稳定性好，鲁棒性强，便于工程化应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将光电稳瞄平台系统传递函数转换成状态空间模型；

步骤二：根据系统稳定状态，设计类稳态控制率；

步骤三：根据设定值不同，设计动态前馈控制率；

步骤四：为了进一步加快系统调节速度，设计误差反馈控制率；

步骤五：为了使系统具有更强的鲁棒性，引入扩张状态观测器，完成控制系统设计。

步骤一中，将光电稳瞄平台系统位置环的传递函数转换成状态空间模型，表达式为：

其中x(t)为系统的n维向量，u(t)为系统的输入向量，y(t)为系统的输出向量，A表示系统内部各状态变量之间的关联情况，B表示输入对每个状态变量的作用情况。

步骤二中，假设光电稳瞄系统处于稳定状态，即令

引入虚拟控制率v_s，得出虚拟稳态控制律为:

v_s＝-Ax(t) (2)。

步骤三中，引入虚拟动态前馈控制律ν_f，整个主控制回路的虚拟控制律为:

ν＝ν_s+ν_f (3)。

步骤四中，运用基于误差的线性控制器设计方法得到反馈控制律，引入误差反馈控制率ν_e，则系统此时的虚拟输入表示为:

ν＝ν_s+ν_f+ν_e (4)。

步骤五中，观测系统内部和外部的总扰动，并进行实时补偿，扩张状态观测器表达形式如下:

其中e为z₁跟踪输出值y的误差，z₂为系统内部状态和内外部扰动总扰动的总观测值，β₀₁、β₀₂为一组输出误差可调参数，u为被控量的输入，b₀为补偿因子，fal(e,α,δ)是在原点附近具有可控线性区域的连续幂次函数，α为非线性因子，δ为滤波因子。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、本发明设计的三步线性控制器，可以大幅提升光电稳瞄平台的目标跟踪速度，且跟踪过程无超调，稳定性好，鲁棒性强。

2、本发明针对三步线性控制器依赖于系统模型的弊端，引入扩张状态观测器，将系统模型的不确定性归结为系统扰动进行补偿，同时，扩张状态观测器还能有效估计系统外部扰动，进行抑制，进一步增强了系统鲁棒性，使光电稳瞄平台成像更加清晰。

3、本发明设计简单，计算量小，便于工程化应用，适合于化工生产，食品加工、机械制造、生物制药等诸多过程控制领域。

附图说明：

图1是基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法流程图；

图2是基于扩张状态观测器的三步线性控制结构框图；

图3是本专利所设计的控制器与PID控制器的动态响应对比图；

图4是加入干扰后，两种控制器的控制效果对比图。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。这些实施例是用于说明本发明而不限于本发明的范围。

光电稳瞄平台系统由电流环、速度环和位置环构成，电流环利用电流传感器形成电流负反馈，用于克服由摩擦力、电机力矩波动等引起的电流不稳定问题。速度环的作用是将平台和载体的运动干扰相隔离，保证光电探测设备的视轴始终稳定在固定的惯性空间方向。而位置环则是在速度环的基础上，控制视轴快速、准确地跟踪目标。因此本发明的主要部分为光电稳瞄平台系统的位置环控制。

基于扩张状态观测器的三步线性控制法包含四个步骤，即类稳态控制、参考前馈控制、误差反馈控制和扩张状态观测器。基于扩张状态观测器的三步线性控制结构框图如图2所示，其中y为位置转向的设定值。

为设定值的微分。e为实际位置转向与理想值之间的偏差。u为位置环的电压控制率。

参见图1，图1是基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法流程图，包括如下步骤：步骤一：将光电稳瞄平台系统传递函数转换成状态空间模型；步骤二：推导类稳态控制率；步骤三：推导参考动态前馈控制；步骤四：推导误差反馈控制率；步骤五：引入扩张状态观测器，完成控制系统设计。即首先建立光电稳瞄平台的状态空间模型。其次，引入类稳态控制率，使系统在平衡点处保持稳定。然后，引入参考动态前馈控制率，增强系统的动态跟踪性能。接着引入状态反馈控制率，进一步减小稳态误差，提高系统动态特性。最后，结合扩张状态控制器，使系统具有更好的鲁棒性和稳定性。具体控制步骤为：

步骤一：将光电稳瞄平台系统位置环的传递函数转换成状态空间模型，表达式为：

其中x(t)为系统的n维向量，u(t)为系统的输入向量，y(t)为系统的输出向量。A表示系统内部各状态变量之间的关联情况，B表示输入对每个状态变量的作用情况。

步骤二：推导类稳态控制率。假设光电稳瞄系统处于稳定状态，即令

引入虚拟控制率v_s，可以得出虚拟稳态控制律为:

v_s＝-Ax(t) (2)

步骤三：推导参考动态前馈控制。引入虚拟动态前馈控制律ν_f，此时整个主控制回路的虚拟控制律为:

ν＝ν_s+ν_f (3)

步骤四：推导误差反馈控制率。运用基于误差的线性控制器设计方法得到反馈控制律，可以进一步减小由于系统建模偏差和外部扰动带来的影响，保证系统稳定性。引入误差反馈控制率ν_e，则系统此时的虚拟输入可以表示为:

v＝v_s+ν_f+ν_e (4)

步骤五：引入扩张状态观测器，观测系统内部和外部的总扰动，并进行实时补偿。扩张状态观测器表达形式如下:

其中e为z₁跟踪输出值y的误差，z₂为系统内部状态和内外部扰动总扰动的总观测值，β₀₁、β₀₂为一组输出误差可调参数，u为被控量的输入，b₀为补偿因子。fal(e,α,δ)是在原点附近具有可控线性区域的连续幂次函数，α为非线性因子，δ为滤波因子。

实施例：

基于扩张状态观测器的三步线性控制法包括以下步骤：

步骤一：基于扩张状态观测器的三步线性控制方法是根据系统的状态空间模型所设计的。因此，将位置环的传递函数转换为状态空间模型。然后，根据类稳态控制、参考前馈控制、误差反馈控制和扩张状态控制器四个步骤进行设计。

光电稳瞄平台伺服控制系统的位置环传递函数为：

将其转换为状态空间方程

令

其中f(x)＝-0.6963x(t),v＝5.5135u(t)。

步骤二：类稳态控制主要是给出位置环的一个稳态控制律，将系统逐渐的调节到稳定点区域，承担系统的主要调节任务，使得控制器中反馈控制律工作在一个小偏差的调节状态。

假设光电稳瞄平台处于稳定状态，即令

引入虚拟控制率v_s，可以得出虚拟稳态控制律为

v_s＝-f(x)＝-0.6963x(t) (2)

步骤三：参考动态前馈控制主要是考虑系统跟踪目标值的动态变化，将其引入到控制律中。需要说明的是由于测量信号存在噪声，在工程应用中对测量信号的微分会放大系统噪声，往往不使用，但是系统的跟踪目标值没有噪声，对它的微分(动态变化信息)具有信号预测的作用(相位超前)，将其引入到控制律中可以有效提高系统的动态响应，减小系统的上升时间。引入虚拟动态前馈控制律ν_f后，此时整个主控制回路的虚拟控制律为

ν＝v_s+v_f (3)

将v带入到式(8)中得到

而f(x)+v_s＝0，将其带入式(9)中，可以得到

由于所设计控制系统要跟踪输入的参考轨迹，即系统输出

y＝x＝y_d (10)

其中y_d为输入参考轨迹，由此可以得到

则

步骤4：误差反馈控制是基于误差系统的线性控制器设计方法得到反馈控制律，可以进一步减小由于系统建模偏差和外部扰动带来的影响，保证系统的稳定闭环性能。此时整个主控制回路的控制律为v＝v_s+v_f，为了消除系统不确定因素引起的误差，提高系统控制精度。引入虚拟误差反馈控制v_e，则系统此时的虚拟输入可以表示为

v＝v_s+v_f+v_e (4)

将ν带入式(8)中得到

将上式化简得

定义系统跟踪误差

e＝y_d-y (15)

则可以得到误差系统

接下来选择

由此可以得到主控制回路最终的虚拟控制输入如下

由于ν＝5.5135u(t)，则可以得到主控制回路的实际控制律u为

步骤五：

扩张状态观测器将影响输出信号的扰动扩张成新的状态变量，将系统内部和外部的各种扰动都归结为系统的总扰动，然后采用特殊的反馈机制对系统状态和总扰动进行实时估计，最后通过反馈将估计的“总扰动”补偿给控制信号。扩张状态观测器是将系统的状态以及总扰动用微积分形式描述，可以更加准确的估计扰动变量并进行精确补偿。

位置环的状态空间方程表达式如下

其中w(t)表示系统中的总扰动。建立扩张状态观测器为如下形式

其中e为z₁跟踪输出值y的误差，z₂为系统内部状态和内外部扰动总扰动的总观测值，β₀₁＝200,β₀₂＝1000，b₀＝1。fal(e,α,δ)是在原点附近具有可控线性区域的连续幂次函数，α＝0.5,0.25，δ＝1。

基于扩张状态观测器的三步线性控制结构简明，具有可移植性，容易被工程技术人员采纳接受，有利于控制律的工程实现。与工程中常用的实验标定的PID控制器相比，所设计的控制器具有提升系统动态性能和降低控制器标定工作量的潜力，v_s是一个稳态控制律，与工业上广泛应用的前馈查表有相同的作用。参考动态控制律v_f将系统参考值的动力学考虑进来，是一个参考动态的前馈控制律，即利用系统参考值的动力学提升系统的动态性能。误差反馈控制律v_e是一个PI结构的控制律，与工业上广泛应用PID控制器相契合，其优势在于控制律的推导过程可以有效的指导控制器增益参数的选取，可以减少控制器的标定工作量。

为了验证本发明控制器的有效性，与传统PID控制器进行对比。首先验证控制器的跟踪性能。对系统施加阶跃信号，观察系统是否能够快速、稳定、准确的达到设定值。对比结果图如图3所示。

图3表明，本发明控制器响应速度是传统PID控制器的4.8倍。控制效果良好，动态响应速度快。下面对系统的稳定性和鲁棒性进行验证。在系统运行2s时，在输出端施加正弦信号，模拟外部干扰，观察控制器能否有效抑制干扰，并且保持较好的稳定性。对比结果图如图4所示。图4表明，在施加外部干扰后，扩张状态观测器能够有效的估计出系统扰动，并进行实时补偿，以保证系统稳定，而PID控制器鲁棒性较差，当扰动存在时，系统无法快速调节，导致系统震荡。因此，验证了本发明控制器的稳定性和鲁棒性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将光电稳瞄平台系统传递函数转换成状态空间模型；

步骤二：根据系统稳定状态，设计类稳态控制率；

步骤三：根据设定值不同，设计动态前馈控制率；

步骤四：设计误差反馈控制率；

步骤五：引入扩张状态观测器，完成控制系统设计。

2.根据权利要求1所述的基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法，其特征在于：步骤一中，将光电稳瞄平台系统位置环的传递函数转换成状态空间模型，表达式为：

其中x(t)为系统的n维向量，u(t)为系统的输入向量，y(t)为系统的输出向量，A表示系统内部各状态变量之间的关联情况，B表示输入对每个状态变量的作用情况。

3.根据权利要求2所述的基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法，其特征在于：步骤二中，假设光电稳瞄系统处于稳定状态，即令

引入虚拟控制率v_s，得出虚拟稳态控制律为:

v_s＝-Ax(t) (2)。

4.根据权利要求3所述的基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法，其特征在于：步骤三中，引入虚拟动态前馈控制律ν_f，整个主控制回路的虚拟控制律为:

ν＝ν_s+v_f (3)。

5.根据权利要求4所述的基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法，其特征在于：步骤四中，运用基于误差的线性控制器设计方法得到反馈控制律，引入误差反馈控制率v_e，则系统此时的虚拟输入表示为:

v＝v_s+v_f+v_e (4)。

6.根据权利要求5所述的基于扩张状态观测器的光电稳瞄平台三步线性控制方法，其特征在于：步骤五中，观测系统内部和外部的总扰动，并进行实时补偿，扩张状态观测器表达形式如下:

其中e为z₁跟踪输出值y的误差，z₂为系统内部状态和内外部扰动总扰动的总观测值，β₀₁、β₀₂为一组输出误差可调参数，u为被控量的输入，b₀为补偿因子，fal(e,α,δ)是在原点附近具有可控线性区域的连续幂次函数，α为非线性因子，δ为滤波因子。

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