CN116819970A - 陀螺稳定平台滑模控制方法、装置、存储介质及电子设备 - Google Patents
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Abstract
陀螺稳定平台滑模控制方法、装置、存储介质及电子设备，涉及控制算法技术领域，方法包括：构建陀螺稳定平台的状态扩张观测器；建立陀螺稳定平台系统状态方程，并基于所述陀螺稳定平台系统状态方程得到系统误差；获取系统给定速度，将所述系统给定速度作为滑模控制目标，以所述系统误差作为滑模面，设计滑模控制律；通过所述状态扩张观测器观测出未知系统扰动的等效干扰，并将所述未知系统扰动的等效干扰作为补偿信号前馈至控制输入端，再基于所述滑模控制律控制陀螺稳定平台；该方法在用状况扩张观测器观测未知扰动的基础上引入滑模控制对速度环进行控制，大大提高系统的控制能力和抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及控制算法技术领域。
背景技术
稳定平台是一种具有隔离扰动及跟踪功能的伺服系统，因其独特的功能而不断被应用在国防装备、航空航天、工业生产和民用设施中，控制算法作为稳定平台隔离扰动、稳定运行的核心部分，其优良直接关系到稳定平台伺服系统的响应速度及精度。在陀螺稳定平台控制中，速度环的控制起到十分重要的作用。
现有方法中，在速度环控制中通常采用传统的控制器。传统控制器具有结构简单、控制算法易实现等优点，但固定参数的控制器无法解决快速性和稳态性能之间的矛盾；另外，传统控制是根据误差进行调整的控制策略，不能对陀螺稳定平台运行中的未知非线性干扰进行快速隔离。
而在实际复杂的工作环境下，来自载体飞机的姿态变化，载体飞机的振动、气流扰动、线缆等其他一些不确定因素都将给光电平台的稳定控制引入了扰动力矩，使得平台电机力矩不能完全精确地驱动框架，视轴不能准确地稳定在期望位置。此外，在平台长期使用过程中，不同的负载大小、不同温度下的运行环境、长期使用所造成的部件磨损等，都将导致光电平台的系统参数的变动，影响一些包含系统参数的控制器设计。上述因素导致的未知扰动影响了陀螺稳定平台的抗干扰能力，这就使得传统控制方法的弊端尤为明显。
因此，如何提供一种在未知扰动下也能达到稳定控制的陀螺稳定平台滑模控制方法，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种陀螺稳定平台滑模控制方法、装置、存储介质及电子设备，该方法在用状况扩张观测器观测未知扰动的基础上引入滑模控制对速度环进行控制，大大提高系统的控制能力和抗干扰能力。
基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：
1、一种基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法，包括：
构建陀螺稳定平台的状态扩张观测器；
建立陀螺稳定平台系统状态方程，并基于所述陀螺稳定平台系统状态方程得到系统误差；
获取系统给定速度，将所述系统给定速度作为滑模控制目标，以所述系统误差作为滑模面，设计滑模控制律；
通过所述状态扩张观测器观测出未知系统扰动的等效干扰，并将所述未知系统扰动的等效干扰作为补偿信号前馈至控制输入端，再基于所述滑模控制律控制陀螺稳定平台。
进一步地，所述状态扩张观测器基于如下步骤构建：
构建陀螺稳定平台被控对象的状态空间模型，表示如下：
；
其中，为滑模控制律，/>为速度输出信号，/>为系统状态，/>表示系统状态的一阶导数，A、B、C为已知固定参数矩阵；
基于所述陀螺稳定平台被控对象的状态空间模型，构建理论模型；
对所述理论模型引入反馈进行矫正，构建状态扩张观测器。
进一步地，所述状态扩张观测器表示如下：
；
；
；
；
；
其中，u为滑模控制律，为速度输出信号，/>为速度输出信号的估计值，/>为系统状态，/>表示系统状态的估计值，/>表示系统状态的估计值的一阶导数，矩阵A、B、C为已知固定参数矩阵，矩阵/>为调节矩阵，/>为被控对象测得参数，/>为正整数。
进一步地，所述陀螺稳定平台系统状态方程表示如下：
；
其中，为系统状态，/>为系统扰动及未建模部分，/>为有界的，/>为滑模控制律，/>为系统状态的一阶导数。
进一步地，所述系统误差的动态方程表示如下：
；
其中，为系统给定速度，x为系统状态，/>为系统扰动及未建模部分的上界，/>为系统动态误差，/>为系统给定速度的一阶导数，其中，/></>。
进一步地，所述滑模面表示如下：
；
其中，为系统给定速度，x为系统状态，e为系统误差，/>为滑模面。
进一步地，所述滑模控制律表示如下：
；
；
其中，u为滑模控制律，为系统扰动及未建模部分的上界，e为系统误差，/>为系统给定速度的一阶导数，/>为调节参数。
2、一种基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制装置，包括：
状态扩张观测器构建模块，用于构建陀螺稳定平台的状态扩张观测器；
系统误差构建模块，用于建立陀螺稳定平台系统状态方程，并基于所述陀螺稳定平台系统状态方程得到系统误差；
滑模设计模块，用于获取系统给定速度，将所述系统给定速度作为滑模控制目标，以所述系统误差作为滑模面，设计滑模控制律；
控制模块，用于通过所述状态扩张观测器观测出未知系统扰动的等效干扰，并将所述未知系统扰动的等效干扰作为补偿信号前馈至控制输入端，再基于所述滑模控制律控制陀螺稳定平台。
3、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。
4、一种电子设备，包括处理器和存储装置，所述存储装置中存有多条指令，所述处理器用于读取所述存储装置中的多条指令并执行上述的方法。
本发明提供的陀螺稳定平台滑模控制方法、装置、存储介质及电子设备，至少包括如下有益效果：
对速度环采用基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法，通过状态扩张观测器观测出系统扰动，然后把观测出的扰动通过补偿加入平台输入端，消去陀螺稳定平台中的总体扰动，在此基础上，引入滑模控制策略，根据所设计的滑模面，使偏离滑模面的系统输出，根据控制策略将其引导到滑模面上，从而大大提高系统的控制能力和抗干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法一种实施例的流程图；
图2为本发明提供的基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法整体原理架构示意图；
图3为本发明提供的基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法中状态扩张观测器架构示意图；
图4为本发明提供的基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法中滑模控制相平面示意图；
图5为陀螺稳定平台PI控制方法的控制速度输出与给定速度的示意图；
图6为基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台PI控制方法的控制速度输出与给定速度的示意图；
图7为基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法的扰动补偿输出与已知扰动的示意图；
图8为基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法的控制速度输出与给定速度的示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
实施例一：
参见图1，在一些实施例中，提供一种基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法，包括：
S1、构建陀螺稳定平台的状态扩张观测器；
S2、建立陀螺稳定平台系统状态方程，并基于所述陀螺稳定平台系统状态方程得到系统误差；
S3、获取系统给定速度，将所述系统给定速度作为滑模控制目标，以所述系统误差作为滑模面，设计滑模控制律；
S4、通过所述状态扩张观测器观测出未知系统扰动的等效干扰，并将所述未知系统扰动的等效干扰作为补偿信号前馈至控制输入端，再基于所述滑模控制律控制陀螺稳定平台。
参见图2，工作时，在扰动和电流环共同作用下的陀螺稳定平台为观测对象，通过状态观测器观测得到未知系统扰动的等效干扰，将未知系统扰动的等效干扰前馈至陀螺稳定平台的控制输入端；
同时，取陀螺稳定平台的系统误差作为滑模控制的输入，基于系统误差和系统给定的期望速度做差值输入滑模控制模块得到滑模控制律，再基于滑模控制律与上述前馈至陀螺稳定平台的等效干扰控制陀螺稳定平台的速度环。
步骤S1中，所述状态扩张观测器基于如下步骤构建：
S11、构建陀螺稳定平台被控对象的状态空间模型，表示如下：
；
其中，为滑模控制律，/>为速度输出信号，/>为系统状态，/>为系统状态的一阶导数，A、B、C为已知固定参数矩阵；
S12、基于所述陀螺稳定平台被控对象的状态空间模型，构建理论模型；
S13、对所述理论模型引入反馈进行矫正，构建状态扩张观测器。
其中，所述状态扩张观测器表示如下：
；
；
；
；
；
其中，u为滑模控制律，为速度输出信号，/>为速度输出信号的估计值，/>为系统状态，/>表示系统状态的估计值，/>表示系统状态的估计值的一阶导数，矩阵A、B、C为已知固定参数矩阵，矩阵/>为调节矩阵，/>为被控对象测得参数，/>为正整数。
步骤S2中，所述陀螺稳定平台系统状态方程表示如下：
；
其中，为系统状态，/>为系统扰动及未建模部分，/>为有界的，/>为滑模控制律，/>为系统状态的一阶导数。
所述系统误差的动态方程表示如下：
；
其中，为系统给定速度，x为系统状态，/>为系统扰动及未建模部分的上界，/>为系统动态误差，/>为系统给定速度的一阶导数，其中，/></>。
步骤S3中，所述滑模面表示如下：
；
其中，为系统给定速度，x为系统状态，e为系统误差。
所述滑模控制律表示如下：
；
；
其中，u为滑模控制律，为系统扰动及未建模部分的上界，e为系统误差，/>为系统给定速度的一阶导数，/>为调节参数。
以下具体说明具体场景下的实施步骤，主要包括以下两个步骤：
步骤一、状态扩张观测器设计，其基本思想是：把实际系统输出与参考模型输出的差异作为一个等效的干扰，状态扩张观测器观测出这个等效干扰，并将其作为一个补偿信号前馈到控制输入端，以消除干扰对系统性能的影响。
状态扩张观测器的基本结构如图3所示，其中，为实际对象模型，/>为输入扰动，/>为滑模控制律，/>为速度输出信号，虚线部分/>为状态扩张观测器，/>为状态扩张观测器观测的系统输出，矩阵/>为状态扩张观测器的参数矩阵。根据图3，实际对象模型输出的速度输出信号与速度输出信号的估计值作差，输入至状态观测器中与矩阵L相乘，将滑模控制律与矩阵B相乘，再将系统状态的估计值与矩阵A相乘，最后将上述三个量相加得到系统状态的估计值的一阶导数，再求积分得到系统状态的估计值，再与矩阵C相乘得到速度输出信号估计值。上述度输出信号估计值前馈至状态观测器的输入端，与实际对象模型输出的速度输出信号作差，形成新一轮的输入。
陀螺稳定平台的状态空间表述为：
；
其中，为滑模控制律，/>为速度输出信号，/>为系统状态。
构建相同的理论模型：
；
在该理论模型中，表示系统状态的估计值。由于被控对象和理论模型初始状态的偏差、理论模型的建模误差、被控对象的额外扰动、传感器的测量噪声等因素的影响，实际输出和理论输出并不相同，因而状态也不同。
为了解决模型之间的差异，对理论模型引入反馈进行矫正，构建状态估计器：
；
此时状态的估计误差满足：
；（4）
状态观测器控制律为：
；
于是，只要合理设计，令/>所有特征值的实部均小于零，即可使状态估计误差收敛到零，即状态估计值趋于真实的状态。
针对目前被控对象形式如下所示：
；
其中，为被控对象测得参数。
建立其状态空间表达式，推导过程如下：
；
；
；
令，/>，则/>，/>。
其状态方程为：
；
；
所以，可得得到矩阵如下：
；
；
；
矩阵为输出扰动部分，其形式如下：
；
矩阵为调节矩阵，其形式如下：
；
其中，为正整数，矩阵/>为已知固定矩阵，只有矩阵/>为可调矩阵，根据实际实验去调节其参数，使其能够完全补偿扰动。
通过状态扩张观测器观测出扰动的等效干扰，并将其作为一个补偿信号前馈到控制输入端，以消除干扰对系统性能的影响，从而使控制器的控制能力增强。
步骤二、滑模控制的设计，其基本思想是：滑模控制通过滑模面来实现变量的改变，当系统状态远离超平面/>时，能以有限的时间回到开关面，并沿着开关面滑动。滑模模态只取决于开关平面方程：
；
因此，系统参数的变化或者外界扰动对滑模运动的影响很小。
滑模控制设计包括：滑模面的设计及滑模控制律的设计。
针对陀螺稳定平台控制系统状态方程如下：
；
其中，为系统状态；/>为系统扰动及未建模部分，为有界的；/>为滑模控制律。
陀螺稳定平台的控制目标：使；
其中，为系统给定速度，即使系统速度趋近于系统给定速度。
下面以误差作为滑模面，即：
；
通过反推法设计滑模控制律，如下：
误差的动态方程：
；
其中，为扰动的上界。
令：；
其中，；
证明这样设计的可使系统稳定：
用李雅普诺夫方程角度去想这个问题。令：
；
；
将误差的动态方程和滑模控制律代入李雅普诺夫方程得到的第二式，可得：
；
将李雅普诺夫方程得到的第一式代入上式，可得：
；
可知，上式为微分方程不等式，可引入一函数，可将上式变成如下形式微分等式：
；
上式为一阶线性非齐次方程，通解为：
；
由此可知：
；
将李雅普诺夫方程得到的第一式代入上式，并且两边开方，可得：
；
上式为指数渐近稳定形式，所以设计的满足系统需求，使系统稳定。
将代入误差/>的动态方程，可得：
；
该式前半部分的相平面如图4所示：横轴为/>，纵轴为/>，在左半平面，，所以沿着线向右移动，在右半平面，/>，所以沿着线向左移动，最终都将到零点。进一步地，该式引入了/>和/>两项，其中，/>为系统项，而/>为控制项，这两项的目标就是当系统偏离/>这条线的时候，想办法让它往这条线上去引导，最终会滑到这条线上。
通过滑模控制在于系统参数的变化或者外界扰动对滑模运动的影响很小，合理设计滑模面及滑模控制律，可使非线性系统的控制具有较好的鲁棒性及动态性能。
以下通过实验进一步说明本实施例的有益效果：
图5展示了陀螺稳定平台PI控制方法的控制速度输出与给定速度的示意图，图6展示了基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台PI控制方法的控制速度输出与给定速度的示意图。
图7展示了基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法的扰动补偿输出与已知扰动的示意图，图8展示了基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法的控制速度输出与给定速度的示意图。
由图5可以看出，在单独的PI控制下，可以看出系统不能消除扰动，并且控制输出速度不能跟随给定速度，控制基本不起作用；由图6可以看出，在PI控制下，引入状态扩张观测器对扰动进行补偿，可以看出扰动能有效的得到补偿，控制输出能够跟随给定速度，误差较小，但是有很大的超调量；由图7可以看出，在滑模控制下，引入状态扩张器对扰动进行补偿，可以看出，经过状态扩张器后能够很好的对扰动进行补偿；由图8可以看出，在滑模控制下，引入状态扩张器对扰动进行补偿，并且通过滑模控制后，控制输出速度能够无超调的跟随给定速度。由此可知，本发明提出的基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法，能够增强系统的鲁棒性及动态性能。
实施例二：
在一些实施例中，提供一种基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制装置，包括：
状态扩张观测器构建模块，用于构建陀螺稳定平台的状态扩张观测器；
系统误差构建模块，用于建立陀螺稳定平台系统状态方程，并基于所述陀螺稳定平台系统状态方程得到系统误差；
滑模设计模块，用于获取系统给定速度，将所述系统给定速度作为滑模控制目标，以所述系统误差作为滑模面，设计滑模控制律；
控制模块，用于通过所述状态扩张观测器观测出未知系统扰动的等效干扰，并将所述未知系统扰动的等效干扰作为补偿信号前馈至控制输入端，再基于所述滑模控制律控制陀螺稳定平台。
实施例三：
在一些实施例中，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例一提供的方法。
实施例四：
在一些实施例中，提供一种电子设备，包括处理器和存储装置，所述存储装置中存有多条指令，所述处理器用于读取所述存储装置中的多条指令并执行实施例一提供的方法。
本实施例提供的基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法及装置，对速度环采用基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法，通过状态扩张观测器观测出系统扰动，然后把观测出的扰动通过补偿加入平台输入端，消去陀螺稳定平台中的总体扰动，在此基础上，引入滑模控制策略，根据所设计的滑模面，使偏离滑模面的系统输出，根据控制策略将其引导到滑模面上，从而大大提高系统的控制能力和抗干扰能力。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法，其特征在于，包括：
构建陀螺稳定平台的状态扩张观测器；
建立陀螺稳定平台系统状态方程，并基于所述陀螺稳定平台系统状态方程得到系统误差；
获取系统给定速度，将所述系统给定速度作为滑模控制目标，以所述系统误差作为滑模面，设计滑模控制律；
通过所述状态扩张观测器观测出未知系统扰动的等效干扰，并将所述未知系统扰动的等效干扰作为补偿信号前馈至控制输入端，再基于所述滑模控制律控制陀螺稳定平台。
2.根据权利要求1所述的基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法，其特征在于，所述状态扩张观测器基于如下步骤构建：
构建陀螺稳定平台被控对象的状态空间模型，表示如下：
；
其中，为滑模控制律，/>为速度输出信号，/>为系统状态，/>表示系统状态的一阶导数，A、B、C为已知固定参数矩阵；
基于所述陀螺稳定平台被控对象的状态空间模型，构建理论模型；
对所述理论模型引入反馈进行矫正，构建构建状态扩张观测器。
3.根据权利要求2所述的基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法，其特征在于，所述状态扩张观测器表示如下：
；
；
；
；
；
其中，u为滑模控制律，为速度输出信号，/>为速度输出信号的估计值，/>表示系统状态的估计值，/>表示系统状态的估计值的一阶导数，矩阵/>为调节矩阵，/>为被控对象测得参数，/>为正整数。
4.根据权利要求1所述的基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法，其特征在于，所述陀螺稳定平台系统状态方程表示如下：
；
其中，为系统状态，/>为系统扰动及未建模部分，/>为有界的，/>为滑模控制律，/>为系统状态的一阶导数。
5.根据权利要求4所述的基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法，其特征在于，所述系统误差的动态方程表示如下：
；
其中，为系统给定速度，x为系统状态，/>为系统状态的一阶导数，/>为系统扰动及未建模部分的上界，/>为系统动态误差，/>为系统给定速度的一阶导数，其中，/></>。
6.根据权利要求1所述的基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法，其特征在于，所述滑模面表示如下：
；
其中，为系统给定速度，x为系统状态，e为系统误差，/>为滑模面。
7.根据权利要求1所述的基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制方法，其特征在于，所述滑模控制律表示如下：
；
；
其中，u为滑模控制律，为系统扰动及未建模部分的上界，e为系统误差，/>为系统给定速度的一阶导数，/>为调节参数。
8.一种基于状态扩张观测器的陀螺稳定平台滑模控制装置，其特征在于，包括：
状态扩张观测器构建模块，用于构建陀螺稳定平台的状态扩张观测器；
系统误差构建模块，用于建立陀螺稳定平台系统状态方程，并基于所述陀螺稳定平台系统状态方程得到系统误差；
滑模设计模块，用于获取系统给定速度，将所述系统给定速度作为滑模控制目标，以所述系统误差作为滑模面，设计滑模控制律；
控制模块，用于通过所述状态扩张观测器观测出未知系统扰动的等效干扰，并将所述未知系统扰动的等效干扰作为补偿信号前馈至控制输入端，再基于所述滑模控制律控制陀螺稳定平台。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一所述的方法。
10.一种电子设备，包括处理器和存储装置，其特征在于，所述存储装置中存有多条指令，所述处理器用于读取所述存储装置中的多条指令并执行如权利要求1-7任一所述的方法。
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2023
- 2023-08-25 CN CN202311074832.3A patent/CN116819970A/zh active Pending
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