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陀螺穩(wěn)像平臺滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)化設(shè)計
日期：2021-11-25 17:48:40 瀏覽：1 欄目：公司動態(tài)
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陀螺穩(wěn)像平臺滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)化設(shè)計
呂春苗1, 2,史澤林1,王洪福1
(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所,遼寧沈陽 110016; 2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100049)
摘 要:提出一種積分分離PID滑?？刂撇呗?引入冪次項進行平滑設(shè)計,以減少指數(shù)趨近律引起的抖振.仿真結(jié)果表明,這種改進的穩(wěn)像平臺滑?？刂撇呗栽诒ＷC系統(tǒng)魯棒性的同時,能夠大大提高平臺對載體擾動的隔離性能.
關(guān)鍵詞:滑模變結(jié)構(gòu)控制;趨近律;穩(wěn)像平臺;抖振;隔離度
中圖分類號: TP271+. 4 文獻標(biāo)識碼: A
1 引言(Introduction)
機載吊艙平臺設(shè)計的目標(biāo)是獲得穩(wěn)定清晰的圖像,其核心是提高平臺的隔離性能.由于系統(tǒng)處于復(fù)雜的力學(xué)、溫度環(huán)境,導(dǎo)致軸系摩擦力矩變化和質(zhì)量分布不均衡,需要控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性.在提高系統(tǒng)的隔離性能方面,目前開展了大量的研究.文[1]提出改進的串聯(lián)平方滯后超前校正,同時在速度環(huán)中引入非線性加速度補償,克服了平臺諧振頻率較低和換向引發(fā)的尖峰問題,但是魯棒性不夠好.文[2]用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制算法解決了參數(shù)和擾動的時變問題.文[3]采用隨機自適應(yīng)控制方法進行控制器設(shè)計,根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)和擾動變化不斷調(diào)整控制器參數(shù),達到最優(yōu)的二次性能指標(biāo),通常需設(shè)計一個高階的卡爾曼濾波器.滑?？刂?SlidingMode Contro,l SMC)采用不連續(xù)控制律,由于其對外界干擾和系統(tǒng)攝動具有完全的自適應(yīng)性,因此近年來滑模控制用于穩(wěn)像平臺控制已受到研究者的廣泛關(guān)注.文[4]采用等效控制加切換控制,用切換控制保證了系統(tǒng)的魯棒性,但這種方法需要找到一個固定常數(shù)滿足李亞普諾夫方程漸近穩(wěn)定條件,此常數(shù)的選取直接影響系統(tǒng)的控制精度.本文借鑒積分分離PID控制算法的思想,提出一種積分分離PID滑?？刂撇呗?參數(shù)選取簡便、容易實現(xiàn),并且在保證穩(wěn)定性和快速趨近的前提下,引入冪次項對指數(shù)趨近律中引起抖振的因素進行改進,達到了比較滿意的系統(tǒng)性能指標(biāo).
2 問題描述(Problem description)
穩(wěn)像平臺系統(tǒng)主要由直流力矩電機、PWM功率放大器、速率陀螺、平臺框架以及安裝在框架上的光學(xué)系統(tǒng)等組件組成.當(dāng)外界干擾力矩作用于平臺時,陀螺測量平臺運動角速度信號,通過滑模控制器控制力矩電機產(chǎn)生反方向力矩來平衡干擾.由于陀螺帶寬比系統(tǒng)帶寬大得多,因此在回路中用比例環(huán)節(jié)代替實際模型;由于電機的電磁時間常數(shù)遠小于電機時間常數(shù),因此可以忽略電樞電感的影響;將電機模型簡化為一階慣性環(huán)節(jié).圖1為采用滑?？刂破鞯膯瓮ǖ老到y(tǒng)框圖.
穩(wěn)像平臺系統(tǒng)本身存在各種摩擦、質(zhì)量偏心、軸系耦合等干擾因素,系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)就是在消除這些不確定干擾的前提下(即使系統(tǒng)具有一定魯棒性),隔離基座擾動,使偵察系統(tǒng)能夠獲得更清晰的圖像.一般用隔離度來描述穩(wěn)像平臺系統(tǒng)對載體角運動的衰減程度,定義為由于載體運動而引起的視軸晃動角度與載體運動的角度之比.
3 控制系統(tǒng)設(shè)計策略(Design strategy ofthe control system)
積分控制器雖然可以補償參數(shù)模型的不確定性,但控制器的輸出由于積分作用的不斷累加而增大,從而使執(zhí)行機構(gòu)達到飽和狀態(tài),直到偏差由正變負時,控制器才開始退出飽和狀態(tài),這樣就會不可避免地產(chǎn)生超調(diào).受積分分離PID控制算法的啟發(fā),本文提出一種積分分離PID滑?？刂苼砜朔{(diào)和積分飽和現(xiàn)象,其基本思想就是在誤差處于一定范圍之內(nèi)時再開始積分動作.也就是說,當(dāng)偏差較大時,采用PD控制,使超調(diào)量大幅度降低;當(dāng)偏差較小時,采用PID控制,保證系統(tǒng)的精度.
滑模變結(jié)構(gòu)控制雖然具有快速響應(yīng)、對不確定擾動不敏感等一系列優(yōu)點,但是它本身的切換控制不可避免地產(chǎn)生抖振問題.抖振問題會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤精度,同時增加系統(tǒng)的能量消耗.修正趨近律的方法是消除抖振最為簡便有效的方法.現(xiàn)有的趨近律都存在不足:基于等速趨近律s•=-εsgn(s)的滑?？刂撇捎糜刹淮_定的界限計算出來的固定控制增益,如果增益ε太小,則趨近速度很小,導(dǎo)致控制的過渡過程變長;相反,若ε很大,則到達滑模面引起的抖振較大.基于指數(shù)趨近律s•=-εsgn(s)-ks的方法雖然可以通過減小ε、增大k加速趨近過程,并大大削弱抖振,但等速項εsgn(s)的存在使系統(tǒng)并不能從理論上消除抖振的出現(xiàn).基于冪次趨近律能實現(xiàn)平滑進入滑動模態(tài),但在快速趨近方面有不足.
在指數(shù)趨近律中,εsgn(s)是滑模面附近產(chǎn)生抖振的主要原因,因此可以結(jié)合冪次趨近律,將ε設(shè)計如下:
5 結(jié)論(Conclusion)
從實驗分析得到以下結(jié)論:首先,在擾動頻率小于3Hz的條件下,PD滑模控制器隔離效果遠不如采用本文所述的積分分離PID滑?？刂破?其次,參數(shù)攝動和隨機干擾對系統(tǒng)的隔離度造成的影響很微弱,也就是說采用本文所述的控制系統(tǒng)設(shè)計策略,系統(tǒng)具有較好的魯棒性;再次,平臺的隔離度同時受擾動信號的幅值和頻率的影響,但是對幅值的變化更為敏感.此外,該系統(tǒng)對低頻、小幅值的信號抑制能力相對較強.下一步的工作將在框架上加裝加速度傳感器感測高頻、幅值較大的擾動信號,用加速度前饋的方法進行補償,進一步提高平臺的隔離性能.
呂春苗1, 2,史澤林1,王洪福1
(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所,遼寧沈陽 110016; 2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100049)
摘 要:提出一種積分分離PID滑?？刂撇呗?引入冪次項進行平滑設(shè)計,以減少指數(shù)趨近律引起的抖振.仿真結(jié)果表明,這種改進的穩(wěn)像平臺滑?？刂撇呗栽诒ＷC系統(tǒng)魯棒性的同時,能夠大大提高平臺對載體擾動的隔離性能.
關(guān)鍵詞:滑模變結(jié)構(gòu)控制;趨近律;穩(wěn)像平臺;抖振;隔離度
中圖分類號: TP271+. 4 文獻標(biāo)識碼: A
1 引言(Introduction)
機載吊艙平臺設(shè)計的目標(biāo)是獲得穩(wěn)定清晰的圖像,其核心是提高平臺的隔離性能.由于系統(tǒng)處于復(fù)雜的力學(xué)、溫度環(huán)境,導(dǎo)致軸系摩擦力矩變化和質(zhì)量分布不均衡,需要控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性.在提高系統(tǒng)的隔離性能方面,目前開展了大量的研究.文[1]提出改進的串聯(lián)平方滯后超前校正,同時在速度環(huán)中引入非線性加速度補償,克服了平臺諧振頻率較低和換向引發(fā)的尖峰問題,但是魯棒性不夠好.文[2]用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制算法解決了參數(shù)和擾動的時變問題.文[3]采用隨機自適應(yīng)控制方法進行控制器設(shè)計,根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)和擾動變化不斷調(diào)整控制器參數(shù),達到最優(yōu)的二次性能指標(biāo),通常需設(shè)計一個高階的卡爾曼濾波器.滑?？刂?SlidingMode Contro,l SMC)采用不連續(xù)控制律,由于其對外界干擾和系統(tǒng)攝動具有完全的自適應(yīng)性,因此近年來滑模控制用于穩(wěn)像平臺控制已受到研究者的廣泛關(guān)注.文[4]采用等效控制加切換控制,用切換控制保證了系統(tǒng)的魯棒性,但這種方法需要找到一個固定常數(shù)滿足李亞普諾夫方程漸近穩(wěn)定條件,此常數(shù)的選取直接影響系統(tǒng)的控制精度.本文借鑒積分分離PID控制算法的思想,提出一種積分分離PID滑?？刂撇呗?參數(shù)選取簡便、容易實現(xiàn),并且在保證穩(wěn)定性和快速趨近的前提下,引入冪次項對指數(shù)趨近律中引起抖振的因素進行改進,達到了比較滿意的系統(tǒng)性能指標(biāo).
2 問題描述(Problem description)
穩(wěn)像平臺系統(tǒng)主要由直流力矩電機、PWM功率放大器、速率陀螺、平臺框架以及安裝在框架上的光學(xué)系統(tǒng)等組件組成.當(dāng)外界干擾力矩作用于平臺時,陀螺測量平臺運動角速度信號,通過滑模控制器控制力矩電機產(chǎn)生反方向力矩來平衡干擾.由于陀螺帶寬比系統(tǒng)帶寬大得多,因此在回路中用比例環(huán)節(jié)代替實際模型;由于電機的電磁時間常數(shù)遠小于電機時間常數(shù),因此可以忽略電樞電感的影響;將電機模型簡化為一階慣性環(huán)節(jié).圖1為采用滑?？刂破鞯膯瓮ǖ老到y(tǒng)框圖.
穩(wěn)像平臺系統(tǒng)本身存在各種摩擦、質(zhì)量偏心、軸系耦合等干擾因素,系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)就是在消除這些不確定干擾的前提下(即使系統(tǒng)具有一定魯棒性),隔離基座擾動,使偵察系統(tǒng)能夠獲得更清晰的圖像.一般用隔離度來描述穩(wěn)像平臺系統(tǒng)對載體角運動的衰減程度,定義為由于載體運動而引起的視軸晃動角度與載體運動的角度之比.
3 控制系統(tǒng)設(shè)計策略(Design strategy ofthe control system)
積分控制器雖然可以補償參數(shù)模型的不確定性,但控制器的輸出由于積分作用的不斷累加而增大,從而使執(zhí)行機構(gòu)達到飽和狀態(tài),直到偏差由正變負時,控制器才開始退出飽和狀態(tài),這樣就會不可避免地產(chǎn)生超調(diào).受積分分離PID控制算法的啟發(fā),本文提出一種積分分離PID滑?？刂苼砜朔{(diào)和積分飽和現(xiàn)象,其基本思想就是在誤差處于一定范圍之內(nèi)時再開始積分動作.也就是說,當(dāng)偏差較大時,采用PD控制,使超調(diào)量大幅度降低;當(dāng)偏差較小時,采用PID控制,保證系統(tǒng)的精度.
滑模變結(jié)構(gòu)控制雖然具有快速響應(yīng)、對不確定擾動不敏感等一系列優(yōu)點,但是它本身的切換控制不可避免地產(chǎn)生抖振問題.抖振問題會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤精度,同時增加系統(tǒng)的能量消耗.修正趨近律的方法是消除抖振最為簡便有效的方法.現(xiàn)有的趨近律都存在不足:基于等速趨近律s•=-εsgn(s)的滑?？刂撇捎糜刹淮_定的界限計算出來的固定控制增益,如果增益ε太小,則趨近速度很小,導(dǎo)致控制的過渡過程變長;相反,若ε很大,則到達滑模面引起的抖振較大.基于指數(shù)趨近律s•=-εsgn(s)-ks的方法雖然可以通過減小ε、增大k加速趨近過程,并大大削弱抖振,但等速項εsgn(s)的存在使系統(tǒng)并不能從理論上消除抖振的出現(xiàn).基于冪次趨近律能實現(xiàn)平滑進入滑動模態(tài),但在快速趨近方面有不足.
在指數(shù)趨近律中,εsgn(s)是滑模面附近產(chǎn)生抖振的主要原因,因此可以結(jié)合冪次趨近律,將ε設(shè)計如下:
5 結(jié)論(Conclusion)
從實驗分析得到以下結(jié)論:首先,在擾動頻率小于3Hz的條件下,PD滑模控制器隔離效果遠不如采用本文所述的積分分離PID滑?？刂破?其次,參數(shù)攝動和隨機干擾對系統(tǒng)的隔離度造成的影響很微弱,也就是說采用本文所述的控制系統(tǒng)設(shè)計策略,系統(tǒng)具有較好的魯棒性;再次,平臺的隔離度同時受擾動信號的幅值和頻率的影響,但是對幅值的變化更為敏感.此外,該系統(tǒng)對低頻、小幅值的信號抑制能力相對較強.下一步的工作將在框架上加裝加速度傳感器感測高頻、幅值較大的擾動信號,用加速度前饋的方法進行補償,進一步提高平臺的隔離性能.
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