CN112711188A - 一种两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法 - Google Patents

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陈立晶
孙拓
董浩
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    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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Abstract

本发明涉及一种两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法，其中，包括：对控制系统进行数值仿真，确定可调参数的范围与初值设定；将给定可调参数初值的扩张状态观测器补偿到稳定回路控制器中，确定被控输出是否稳定；在确定被控输出稳定的条件下，整定补偿量调整因子；对算法积分步长h进行初步整定；调节算法积分步长h与线性区间δ调整参数δc，对取值范围内任一给定的h，调节δc，测试系统的阶跃响应与扰动条件下的稳态输出，通过动态性能与稳态性能的比较，确定算法积分步长h与线性区间δ调整参数δc；基于确定的参数对被控系统进行测试，验证所设计扩张状态观测器的鲁棒性，确定扩张状态观测器参数。

Description

一种两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，特别涉及一种两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器的参数调试方法。
背景技术
机载光电转塔通常采用两轴四框架的结构形式以扩展跟踪范围，两轴四框架陀螺稳定平台的视轴稳定精度主要由内框架系统的稳定控制实现。在影响该光电平台视轴稳定的因素中，摩擦干扰力矩以及陀螺噪声的影响难以克服与抑制。因此，内框架系统控制器的扰动隔离能力直接关系光电转塔的稳定与捕获跟踪性能。
现有的PID控制器无法满足两轴四框架陀螺稳定平台高控制精度与隔离度的需求，自抗扰控制算法将作用于被控对象的所有不确定因素作用都归结为“未知扰动”而用对象的输入输出数据对其进行估计并给予补偿，因此自抗扰控制器中具有扰动估计与补偿作用的扩张状态观测器得到了大量的关注与研究，然而对其在实际应用中涉及的参数调试方法及流程缺乏公开的阐明与参考。
发明内容
本发明的目的在于提供一种两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法，用于解决上述现有技术的问题。
本发明一种两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法，其中，包括：
扩张状态观测器形式为：
Figure BDA0002807039520000021
其中，u为对被控对象的输入，y为对象的输出，z1为被控对象的状态估计，e为输出误差，z2为被扩张的状态即为对扰动的估计，幂次函数fal(e,0.5,δ)为一非线性函数，β01、β02、b以及δ为扩张状态观测器可调参数；
对控制系统进行数值仿真，确定可调参数的范围与初值设定；
将给定可调参数初值的扩张状态观测器补偿到稳定回路控制器中，确定被控输出是否稳定；
在确定被控输出稳定的条件下，整定补偿量调整因子b0的调整参数b0c，由小到大以一定间隔增大b0c，每改变一次b0c，分别测试被控系统的阶跃响应与扰动条件下的稳态输出；综合比较b0c各个取值下的阶跃响应与扰动条件下的稳态输出，确定b0c；
对算法积分步长h进行初步整定；
在β2e取值附近进行小范围调整，验证数值仿真给出的β02计算指数与给出的h取值范围；
调节算法积分步长h与线性区间δ调整参数δc，对取值范围内任一给定的h，调节δc，测试系统的阶跃响应与扰动条件下的稳态输出，通过动态性能与稳态性能的比较，确定算法积分步长h与线性区间δ调整参数δc；
基于确定的参数对被控系统进行测试，验证所设计扩张状态观测器的鲁棒性，确定扩张状态观测器参数。
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种具体的扩张状态观测器参数调试方法，在两轴四框架陀螺稳定平台内方位与内俯仰稳定回路控制上的应用实践证明了该方法在扩张状态观测器参数调试上的可操作性与有效性。
附图说明
图1为两轴四框架陀螺稳定平台稳定回路控制系统结构图；
图2为本方法描述的扩张状态观测器参数调试流程；
图3(a)和(b)为采用本方法对陀螺稳定平台内方位稳定回路进行扩张状态观测器参数调试时的阶跃响应曲线，其中，(a)b0c＝1.0，(b)b0c＝1.5；
图4(a)-(d)为采用本方法对陀螺稳定平台内方位稳定回路进行扩张状态观测器参数b0c调试时系统在正弦扰动下的角位置测试结果，其中，(a)b0c＝0.8，(b)b0c＝1.0，(c)b0c＝1.2，(d)b0c＝1.5；
图5(a)-(d)为采用本方法对陀螺稳定平台内方位稳定回路进行扩张状态观测器参数h与δc调试时系统在正弦扰动下的角位置测试结果，其中，(a)h＝0.02h0、δc＝1.6δc0，(b)h＝0.02h0、δc＝2.4δc0，(c)h＝0.12h0、δc＝2.4δc0，(d)h＝0.2h0、δc＝0.1δc0，其中，h0与δc0为本例实施方式中内方位稳定回路的扩张状态观测器参数整定确定的比例系数。
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。
本发明一种两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法包括：所涉及的扩张状态观测器应用对象为陀螺稳定平台稳定回路控制中的一阶被控对象，所述的扩张状态观测器为与之相应的二阶扩张状态观测器，根据稳定回路被控对象的设计参数，逐步整定扩张状态观测器参数。
扩张状态观测器根据被控对象的状态方程建立，所述的被控对象状态方程根据被控对象的模型已知部分与阶次列写，所述的被控对象的控制量即控制输入记为u、被控输出记为y。
所述的扩张状态观测器具有以下形式：
Figure BDA0002807039520000041
其中，u为对被控对象的输入，y为对象的输出，z1为被控对象的状态估计，e为输出误差，z2为被扩张的状态即为对扰动的估计，幂次函数fal(e,0.5,δ)为一非线性函数，β01、β02、b以及δ为扩张状态观测器可调参数。
所述的扩张状态观测器具有以下离散形式：
输入：被控对象的控制量u、被控对象输出y；
输出：被扩张的状态z2、补偿量调整因子b0；
输入参数：采样周期T、被控对象转动惯量J、系统机械阻尼f、被控电机的力矩系数Tc；
可调参数：b0调整参数b0c、β02计算指数β2e、算法积分步长h、扩张状态观测器线性区间δ调整参数δc。
计算过程：
b0＝1/Jb0c
δ＝δch
β01＝1/h
Figure BDA0002807039520000052
e＝z1-y
Figure BDA0002807039520000051
z1＝z1+T(z2-β01e-fmTcz1/J+Tcu/J)
z2＝z2+T(-β02)fal(e,0.5,δ)
本发明所述的一种扩张状态观测器参数调试方法具体包括以下步骤：
步骤(1)基于自抗扰控制理论，对控制系统进行数值仿真，确定可调参数的大致范围与初值设定；
步骤(2)将给定可调参数初值的扩张状态观测器补偿到稳定回路控制器中，确定被控输出是否稳定；
步骤(3)在步骤(2)确定被控输出稳定的条件下，首先整定补偿量调整因子b0的调整参数b0c，由小到大以一定间隔增大b0c，每改变一次b0c，分别测试被控系统的阶跃响应与扰动条件下的稳态输出；综合比较b0c各个取值下的阶跃响应与扰动条件下的稳态输出，确定b0c；
步骤(4)在步骤(3)基础上，对算法积分步长h进行初步整定。由大至小改变h，直至系统输出开始起振，留出足够的裕量确定h的取值范围；
步骤(5)在(2)、(3)基础上，在β2e取值附近进行小范围调整，验证数值仿真给出的β02计算指数与步骤(3)给出的h取值范围；
步骤(6)同时调节算法积分步长h与线性区间δ调整参数δc，对取值范围内任一给定的h，调节δc，测试系统的阶跃响应与扰动条件下的稳态输出，通过动态性能与稳态性能的比较，确定算法积分步长h与线性区间δ调整参数δc；
步骤(7)基于上述步骤确定的参数对被控系统进行测试，验证所设计扩张状态观测器的鲁棒性，最终确定扩张状态观测器参数。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
该方法已得到工程应用，经实践验证了该方法在整定扩张状态观测器参数上的有效性与实用性；
该调试方法所述流程可操作性强，可为其它陀螺稳定平台稳定回路的扩张状态观测器设计与调试提供借鉴与参考。
参阅图1，本发明涉及的扩张状态观测器参数调试方法基于两轴四框架陀螺稳定平台内方位稳定回路进行实践，内俯仰稳定回路同理。本实例中，u为给到被控电机上的pwm驱动信号，被控输出y为被控轴向陀螺输出的角速度。采样周期T＝0.0005s，被控对象转动惯量J为内方位轴向的转动惯量，机械阻尼f设为0，被控电机的力矩系数Tc＝1.0。
参阅图2，具体实施步骤如下：
基于PID控制器参数整定方法进行内方位稳定回路控制系统的PI控制器调试，确定控制器参数；
基于被控对象模型设计扩张状态观测器，建立仿真模型对系统进行仿真，确定扩张状态观测器各参数的大致范围：b0c取值(0.6,3.6)，β2e取值(1.8)，h取值(0.0001,0.1)，δc取值(5,1200)。其中，β2e的取值要保证系统仿真稳定并留有一定裕量；
在随动控制程序内实现离散化的扩张状态观测器算法，给定控制器参数、并根据上一步的仿真结果选定扩张状态观测器各个参数初值。加载控程序，观察内方位稳定回路输出是否稳定。若稳定则进行参数整定与优化，若不稳定，重选扩张状态观测器参数初值进行测试，直至系统稳定；
在稳定回路正常工作状态下，在线调节参数b0c。每调节一次，观察系统状态，若无异常，给定阶跃输入1°/s测试阶跃响应并记录测试过程的陀螺输出；基于两轴四框架外框架施加2°1Hz与1°2Hz正弦扰动，记录扰动过程中陀螺输出。分析扰动条件下的陀螺输出，对比各个参数值下的隔离度，确定参数b0c的取值；
更新扩张状态观测器参数b0c，进入稳定工作模式。在线由大至小改变积分步长h，直至系统输出开始起振，留出足够的裕量确定h的初步取值，确定保证系统稳定的h取值范围；
更新扩张状态观测器参数h，进入稳定工作模式。调节β2e取值在初值附近由小至大改变，观察系统输出是否稳定，并记录系统的阶跃响应陀螺输出，确定最终β2e取值；
更新扩张状态观测器参数β2e，进入稳定工作模式。改变线性区间δ调整参数δc，阶跃输入1°/s测试阶跃响应并记录测试过程的陀螺输出，基于两轴四框架外框架施加2°1Hz与1°2Hz正弦扰动，记录扰动过程中陀螺输出。在步骤(6)确定的h范围内，改变h取值，每改变一次，重复上述调节δc的步骤。分析扰动条件下的陀螺输出，对比各个参数值下的隔离度，确定参数h与δc的取值。
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种具体的扩张状态观测器参数调试方法，在两轴四框架陀螺稳定平台内方位与内俯仰稳定回路控制上的应用实践证明了该方法在扩张状态观测器参数调试上的可操作性与有效性。
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 (10)

1.一种两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法，其特征在于，包括：
扩张状态观测器形式为：
Figure FDA0002807039510000011
其中，u为对被控对象的输入，y为对象的输出，z1为被控对象的状态估计，e为输出误差，z2为被扩张的状态即为对扰动的估计，幂次函数fal(e,0.5,δ)为一非线性函数，β01、β02、b以及δ为扩张状态观测器可调参数；
对控制系统进行数值仿真，确定可调参数的范围与初值设定；
将给定可调参数初值的扩张状态观测器补偿到稳定回路控制器中，确定被控输出是否稳定；
在确定被控输出稳定的条件下，整定补偿量调整因子b0的调整参数b0c，由小到大以一定间隔增大b0c，每改变一次b0c，分别测试被控系统的阶跃响应与扰动条件下的稳态输出；综合比较b0c各个取值下的阶跃响应与扰动条件下的稳态输出，确定b0c；
对算法积分步长h进行初步整定；
在β2e取值附近进行小范围调整，验证数值仿真给出的β02计算指数与给出的h取值范围；
调节算法积分步长h与线性区间δ调整参数δc，对取值范围内任一给定的h，调节δc，测试系统的阶跃响应与扰动条件下的稳态输出，通过动态性能与稳态性能的比较，确定算法积分步长h与线性区间δ调整参数δc；
基于确定的参数对被控系统进行测试，验证所设计扩张状态观测器的鲁棒性，确定扩张状态观测器参数。
2.如权利要求1所述的两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法，其特征在于，步骤4中，由大至小改变h，直至系统输出开始起振，确定h的取值范围。
3.如权利要求1所述的两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法，其特征在于，扩张状态观测器应用对象为陀螺稳定平台稳定回路控制中的一阶被控对象，所述的扩张状态观测器为与之相应的二阶扩张状态观测器。
4.如权利要求1所述的两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法，其特征在于，所述的扩张状态观测器具有离散形式：
补偿量调整因子b0；
输入参数：采样周期T、被控对象转动惯量J、系统机械阻尼f、被控电机的力矩系数Tc；
可调参数：b0调整参数b0c、β02计算指数β2e、算法积分步长h、扩张状态观测器线性区间δ调整参数δc。
5.如权利要求1所述的两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法，其特征在于，b0＝1/Jb0c。
6.如权利要求1所述的两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法，其特征在于，δ＝δch。
7.如权利要求1所述的两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法，其特征在于，β01＝1/h。
8.如权利要求1所述的两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法，其特征在于，
Figure FDA0002807039510000031
9.如权利要求1所述的两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法，其特征在于，
Figure FDA0002807039510000032
10.如权利要求1所述的两轴四框架稳定平台的扩张状态观测器参数调试方法，其特征在于，
z1＝z1+T(z2-β01e-fmTcz1/J+Tcu/J)
z2＝z2+T(-β02)fal(e,0.5,δ)。
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