機載光電吊艙自抗擾控制算法研究

陳 璐，胡東方，商建東

CHEN Lu, HU Dong-fang, SHANG Jian-dong

（河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，洛陽 471003）

0 引言

隨著機載吊艙技術(shù)的不斷發(fā)展，加裝吊艙可以使飛機所具備的功能越來越多，如空中救災(zāi)指揮、數(shù)字化城市、國防偵察等。由于機載光電吊艙在空中執(zhí)行任務(wù)時受風阻力、機械振動、負載擾動等多種因素影響[1]，這些隨機性因素及非線性因素導(dǎo)致機載吊艙的模型難以精確建立，因此采用傳統(tǒng)的控制算法不易達到其控制性能指標。然而，作為宇航領(lǐng)域的一個關(guān)鍵技術(shù)，提高機載光電吊艙控制精度具有很大的軍事和經(jīng)濟價值[2]。目前所設(shè)計的控制器多采用傳統(tǒng)PID控制算法，控制器參數(shù)要實時調(diào)整，控制系統(tǒng)抗干擾能力一般,很難滿足機載吊艙高空作業(yè)的性能要求。自抗擾控制器是在繼承經(jīng)典PID控制器不依賴于對象模型優(yōu)點的基礎(chǔ)上，通過改進經(jīng)典PID控制器固有缺陷而形成的新型控制器。研究表明，自抗擾控制器對具有非線性、大慣性、不確定性、強干擾、大時滯和強耦合等特性的被控對象具有較好的控制品質(zhì)[3]。

本文將自抗擾控制算法應(yīng)用到機載光電吊艙系統(tǒng)中，將所有影響因素歸結(jié)為一個總擾動進行在線觀測和補償，以期進一步提高伺服精度[4]。通過MATLAB/Simulink對系統(tǒng)在傳統(tǒng)PID控制和自抗擾控制上的響應(yīng)快慢以及抵抗擾動能力方面進行了仿真實驗。結(jié)果表明，自抗擾控制器具有更好的控制效果，更適應(yīng)于機載光電吊艙系統(tǒng)。

1 機載光電吊艙控制系統(tǒng)模型分析

本文所研究的吊艙控制系統(tǒng)選用直流伺服電機實現(xiàn)方位和俯仰運動，直流伺服電機與其他電機相比，具有調(diào)速范圍寬、高精度、高效率、響應(yīng)迅速等優(yōu)點，其能將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能，從而完成各種運動[5]。等效電路如圖1所示。

圖1 直流伺服電機等效電路

圖中，Ra、La、ea分別為電樞回路的電阻（Ω）、電感（H）和電機反電動勢（V）。

通過分析直流伺服電機的等效電路，電樞回路的電壓平衡方程為：

當負載轉(zhuǎn)矩為零，同時忽略電機的摩擦轉(zhuǎn)矩和鐵心損耗后，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩全部用來加速轉(zhuǎn)子，則：

此時可以得到直流伺服電機的傳遞函數(shù)：

以上公式中，J為電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2），Tem為電動機電磁轉(zhuǎn)矩（N·m），Kt為電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)（N·m/A ），Ke電機的電動勢系數(shù)（V·s/rad）；本文所選用電機參數(shù)如表1所示。

表1 直流伺服電機參數(shù)

機載光電吊艙控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分主要有位置調(diào)節(jié)器、脈寬調(diào)制變換器、光電編碼器和直流伺服電機[6]。機載光電吊艙控制系統(tǒng)要求具備較高的跟蹤能力和抗干擾能力，當受到飛行姿勢改變和風阻力變化等干擾時，此系統(tǒng)要具備一定的魯棒性?，F(xiàn)以方位軸為例，構(gòu)建機載光電吊艙控制系統(tǒng)模型[7]，如圖2所示。

圖2 機載吊艙控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)以上參數(shù)計算和分析,可得機載光電吊艙控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下：

2 自抗擾控制技術(shù)的分析及應(yīng)用

2.1 自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)分析

自抗擾控制器主要由過渡過程的安排、擴張狀態(tài)觀測器、狀態(tài)誤差的反饋形式、擾動估計的補償四個部分構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)對外部擾動的實時性估計和補償，具有很強的魯棒性[8]。

自抗擾控制器應(yīng)用最多的是在一階、二階控制系統(tǒng)，同時也適用于高階控制系統(tǒng)。本文針對機載光電吊艙系統(tǒng)所適用的二階自抗擾控制器進行了分析與設(shè)計[9]。 二階自抗擾控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

二階自抗擾控制器是由如下組成：

1）微分跟蹤器(TD)：安排過渡過程，由定值v安排過渡過程v1并提取其微分信號v2：

圖3 二階自抗擾控制結(jié)構(gòu)原理圖

2）擴張狀態(tài)觀測器(ESO)：根據(jù)被控對象的輸出y和輸入的控制信號u估計出對象的狀態(tài)x1、x2和作用于對象的總擾動x3：

3）動態(tài)誤差的非線性反饋律(NLSEF)：系統(tǒng)的狀態(tài)誤差是指e1=v1-，e2=v2-，積分器串聯(lián)型對象的控制規(guī)律u0：

2.2 離散自抗擾控制算法及Simulink實現(xiàn)

工程控制一般需要用數(shù)字控制器實現(xiàn)，故先將系統(tǒng)控制對象模型離散化，再通過MATLAB下的S-函數(shù)編程來建立自抗擾控制器，分別建立跟蹤微分器TD的S-函數(shù)hanTD、擴張狀態(tài)觀測器ESO的S-函數(shù)hanESO、非線性狀態(tài)誤差反饋律NLSEF的S-函數(shù)hanNLSEF[10]，由以上模塊就可以在Simulink里搭建好控制系統(tǒng)仿真模型并進行仿真。機載光電吊艙自抗擾控制仿真方案原理如圖4所示。

3 仿真結(jié)果分析

為了對比本文所設(shè)計的自抗擾控制器和傳統(tǒng)PID控制器的控制效果，我們在MATLAB/Simulink環(huán)境下對機載光電吊艙的進行了相關(guān)仿真試驗，同時不斷調(diào)整并給出了控制參數(shù)，通過對試驗結(jié)果分析比較兩種控制算法的優(yōu)缺點。

圖4 機載光電吊艙自抗擾控制仿真原理圖

3.1 階躍信號響應(yīng)結(jié)果分析

經(jīng)典PID控制器、自抗擾控制器仿真結(jié)果如圖5所示，自抗擾控制器比PID控制器響應(yīng)更快，調(diào)節(jié)時間由38ms減小到22ms，能更快達到穩(wěn)態(tài)值。

圖5 單位階躍響應(yīng)對比曲線

3.2 正弦信號跟蹤結(jié)果分析

由于機載光電吊艙要求準確的追蹤并鎖定目標，因此對其跟蹤能力有較高的要求，利用正弦信號作為輸入信號，進行仿真分析，結(jié)果如圖7所示，經(jīng)典PID控制器波形跟蹤能力相比自抗擾較弱，跟蹤誤差最大幅值達到0.05s,自抗擾控制器跟蹤誤差最大幅值達到0.023s,可見自抗擾控制器波形跟蹤能力較強。

圖6 正弦跟蹤對比曲線

3.3 抗干擾性能分析

機載光電吊艙控制系統(tǒng)在空中執(zhí)行任務(wù)會受多種因素擾動，因此對PID和自抗擾進行抗擾性能仿真試驗。當系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)后，在t=100ms處加入3N·m的階躍干擾信號，運行系統(tǒng)仿真模型，觀察兩種控制器在加入擾動情況下的輸出響應(yīng)。PID控制和自抗擾的響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 抗干擾特性曲線

從圖7可知，自抗擾控制系統(tǒng)在受到干擾時具有較快的自我恢復(fù)能力，并且有效抑制干擾信號，系統(tǒng)超調(diào)量較小，更適合機載光電吊艙系統(tǒng)。

4 結(jié)論

針對機載光電吊艙控制系統(tǒng)，選用直流伺服電機驅(qū)動兩軸的運動，實現(xiàn)機載吊艙水平和俯仰兩方向的跟蹤。在直流伺服電機的建模基礎(chǔ)上，對整個吊艙控制系統(tǒng)進行建模和分析，根據(jù)自抗擾控制原理，設(shè)計了二階離散自抗擾控制器，同時利用MATLAB/ Simulink軟件對系統(tǒng)進行理論性能分析和實驗驗證，表明自抗擾控制器能使系統(tǒng)具有良好的跟蹤精度和快速的響應(yīng)速度，具有一定的應(yīng)用效果。

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