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    光電跟蹤平臺(tái)的觀測自適應(yīng)控制器

    2021-07-14 15:58:04姜湖海張通彤
    光學(xué)精密工程 2021年6期
    關(guān)鍵詞:適應(yīng)控制視線制導(dǎo)

    吳 輝,司 晨,姜湖海,張通彤,袁 滿

    (西南技術(shù)物理研究所,四川 成都610041)

    1 引 言

    隨著戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜化,精確制導(dǎo)武器不僅要做到高精度、快響應(yīng),還需在保證精度條件下打擊快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。傳統(tǒng)制導(dǎo)手段多以紅外、可見光、激光、毫米波等單一或復(fù)合探測方式為主[1-2],但這些探測方式的探測頻率均不高,如非制冷紅外探測器周期一般為50 Hz,而激光制導(dǎo)由于編碼特性的要求,周期多以10~20 Hz為主[3]。探測頻率較低而又必須達(dá)到快速響應(yīng)和高精度,是跟蹤伺服系統(tǒng)需研究解決的難題。此外,如何降噪并提高視線角速度的動(dòng)態(tài)精度也是精確制導(dǎo)領(lǐng)域的重要課題之一。常用的濾波手段在探測頻率較低的制導(dǎo)信號時(shí)會(huì)造成延遲,特別是當(dāng)濾波參數(shù)和噪聲特性不匹配時(shí),往往會(huì)引起控制系統(tǒng)的低頻振蕩,從而給彈體的運(yùn)動(dòng)帶來不良影響。同時(shí),隨著復(fù)合制導(dǎo)替代單一模式制導(dǎo),毫米波雷達(dá)、激光四象限探測器等和差測角方法受共孔徑光學(xué)系統(tǒng)的影響,角偏差線性區(qū)較窄[4],傳統(tǒng)的PID控制無法兼容低速目標(biāo)跟蹤精度與高速目標(biāo)跟蹤能力。隨著前饋控制[5]、滑??刂疲?]、變增益控制[7]、自抗擾控制[8]和自適應(yīng)控制[9-11]等多種算法的研究與應(yīng)用,制導(dǎo)跟蹤能力與精度有著更高的提升空間。自適應(yīng)控制雖然顯著提高了制導(dǎo)精度,但卻降低了系統(tǒng)本身對隨機(jī)干擾的抑制能力。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[12]、遺傳規(guī)律[13]等的自適應(yīng)PID,以及最優(yōu)控制等算法,由于需要的數(shù)據(jù)量較大、迭代次數(shù)較多、運(yùn)算規(guī)則較為復(fù)雜,在提高性能的同時(shí)往往以犧牲時(shí)間為代價(jià)。文獻(xiàn)[14-15]提出的自適應(yīng)魯棒控制,利用非連續(xù)性投影映射解決了自適應(yīng)性與魯棒性難以兼顧的缺陷,但自適應(yīng)參數(shù)與模型補(bǔ)償函數(shù)依賴于完整的系統(tǒng)建模與目標(biāo)期望軌跡是制導(dǎo)系統(tǒng)跟蹤回路難以提供的。文獻(xiàn)[16]、[17]所使用的自抗擾控制算法是對PID控制精髓的提取和優(yōu)化,通過不基于模型的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器、微分跟蹤器、安排過渡過程等方法為控制性能提升開拓了新的思路,其中過渡函數(shù)是解決階躍輸入引起超調(diào)的有效手段。

    本文提出一種觀測自適應(yīng)控制算法,通過非連續(xù)性觀測投影映射調(diào)節(jié)自適應(yīng)參數(shù)閾值,以適應(yīng)不同跟蹤速度并解決自適應(yīng)引入的低頻振蕩問題,通過自適應(yīng)方程、模式識(shí)別跟蹤解決導(dǎo)引頭穩(wěn)態(tài)跟蹤精度與最大跟蹤速度指標(biāo)不兼容的問題,通過過渡函數(shù)解決自適應(yīng)、模式識(shí)別跟蹤引入的超調(diào)問題。

    2 工作原理及系統(tǒng)模型

    2.1 光電跟蹤系統(tǒng)描述

    光電導(dǎo)引頭由二軸伺服平臺(tái)、光學(xué)組件、探測單元、信息處理組件和功放/電源組件等構(gòu)成[18]。其中,二軸伺服平臺(tái)是響應(yīng)跟蹤閉環(huán)控制量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和狀態(tài)信息反饋的載體[19],由方位俯仰框架、直流電機(jī)、速度測量器件和角度測量器件等組成。探測單元是探測目標(biāo)并計(jì)算角偏差的重要部件,通常由激光/紅外/毫米波雷達(dá)/可見光探測器組成。光電導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)主要由角速度環(huán)、位置環(huán)和跟蹤環(huán)組成。由于導(dǎo)引頭在跟蹤模式下不涉及位置環(huán)路,因此本文的研究對象是以跟蹤環(huán)為外回路,角速度環(huán)為內(nèi)回路的雙環(huán)控制系統(tǒng),如圖1所示。

    圖1 光電跟蹤系統(tǒng)原理圖Fig.1 Block diagram of photoelectric tracking system

    跟蹤控制系統(tǒng)的工作原理為:由探測單元計(jì)算得到目標(biāo)位置γi與平臺(tái)軸線γ0的偏差Δγi,經(jīng)跟蹤環(huán)控制器校正后輸出視線角速度μω作為角速度環(huán)的期望值,陀螺測量得到的實(shí)時(shí)角速度信息ω0作為角速度環(huán)的反饋量,兩者的差值Δω作為角速度環(huán)的輸入,經(jīng)角速度環(huán)的控制器運(yùn)算得到電機(jī)控制指令,經(jīng)功率放大驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)框架跟蹤目標(biāo)完成閉環(huán)。因此,跟蹤系統(tǒng)的被控對象由功率放大器、直流電機(jī)及帶有光電探測系統(tǒng)的負(fù)載組成,其數(shù)學(xué)模型可表示為:

    其中:μ(k)為外環(huán)輸出的視線角速度;T f為未知干擾;K a,K b,K m為功率放大器、平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和電機(jī)等效模型進(jìn)行換算后的系數(shù)。

    2.2 控制問題及策略分析

    本文重點(diǎn)放在跟蹤環(huán)的控制器設(shè)計(jì)上,角速度環(huán)采用常規(guī)PID控制器,控制律為:

    式中:K p,K i,K d為角速度環(huán)PID控制器的系數(shù),e(k)為角速度環(huán)的誤差輸入。外環(huán)輸出的視線角速度不僅作為內(nèi)環(huán)的角速度指令,同時(shí)上報(bào)彈體,作為彈體閉環(huán)的指令。因此,視線角速度精度直接影響制導(dǎo)精度,是評價(jià)制導(dǎo)性能的重要指標(biāo)。

    目前,制導(dǎo)系統(tǒng)多采用純比例控制跟蹤環(huán)。但比例控制有許多缺陷,系數(shù)過大會(huì)導(dǎo)致超調(diào),并且將偏差本身包含的噪聲放大,導(dǎo)致視線角速度的動(dòng)態(tài)精度惡化;比例系數(shù)過小,則響應(yīng)速度低,無法滿足制導(dǎo)武器的機(jī)動(dòng)性能,并且脫靶量較大。此外,對于探測器線性區(qū)較小的制導(dǎo)系統(tǒng),系數(shù)過小則無法跟上快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。工程上主要采用變比例增益或自適應(yīng)PID來改善控制性能。常規(guī)的變增益控制是通過構(gòu)造角偏差的非線性函數(shù)來改變比例項(xiàng)系數(shù),但在收斂階段增益的變化與角偏差的變化會(huì)相互影響,導(dǎo)致比例參數(shù)反復(fù)調(diào)節(jié)造成振蕩。自適應(yīng)控制的核心思想是利用偏差數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)控制器中的結(jié)構(gòu)參數(shù)以消除系統(tǒng)靜差,適用于響應(yīng)能力要求不高、精度要求較高且干擾小的系統(tǒng)。連續(xù)性平滑投影自適應(yīng)[10]與模型補(bǔ)償自適應(yīng)控制算法[14]帶來的缺陷是魯棒性能變差,對隨機(jī)噪聲沒有抑制能力,過度追求系統(tǒng)靜差會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果對自適應(yīng)的范圍和啟動(dòng)條件進(jìn)行限制或根據(jù)不同的狀態(tài)進(jìn)行改變,則可以避免自適應(yīng)引入的問題。

    綜上所述,跟蹤環(huán)亟待解決以下3個(gè)方面的問題:

    (1)快速跟蹤能力與低速跟蹤的視線角速度精度無法兼顧;

    (2)快速性、魯棒性與自適應(yīng)算法不協(xié)調(diào);

    (3)連續(xù)性平滑投影自適應(yīng)與模型補(bǔ)償自適應(yīng)控制算法易引起的低頻振蕩問題。

    3 觀測投影自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

    3.1 觀測自適應(yīng)控制器結(jié)構(gòu)

    本文對制導(dǎo)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),角速度環(huán)仍保持PID控制不變,重點(diǎn)對跟蹤環(huán)采用觀測自適應(yīng)算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

    圖2 觀測自適應(yīng)控制器框圖Fig.2 Framework of observational adaptive control system

    觀測自適應(yīng)算法主要包括三個(gè)方面:首先,利用自適應(yīng)方程通過探測誤差與當(dāng)前跟蹤速度狀態(tài)不斷調(diào)整自適應(yīng)參數(shù)變化率,在保證低速階段視線角速度精度的前提下,兼顧了快速階段的跟蹤能力,并有效彌補(bǔ)探測角偏差線性區(qū)窄的劣勢;然后,利用非連續(xù)性觀測投影對自適應(yīng)方程進(jìn)行區(qū)域限制,不再單一地依靠探測出的角偏差對自適應(yīng)率進(jìn)行調(diào)節(jié),通過非連續(xù)性觀測,使得自適應(yīng)率對角偏差有一定的緩沖區(qū)域,以解決連續(xù)性平滑投影自適應(yīng)與模型補(bǔ)償自適應(yīng)控制算法易引起的低頻振蕩問題;其次,制導(dǎo)過程中,激光探測信號在不同彈目距離下信號特征有所差異,因此利用狀態(tài)識(shí)別控制區(qū)分不同的信號狀態(tài),對自適應(yīng)率采用不同的參數(shù)進(jìn)行控制,以提高響應(yīng)速度,并且在快速階段抑制噪聲被放大的缺陷。最后在跟蹤環(huán)校正后輸入速度環(huán)時(shí),利用過渡函數(shù),以解決狀態(tài)轉(zhuǎn)換可能帶來的超調(diào)問題。綜上所述,觀測自適應(yīng)算法的簡化形式如圖3所示。

    圖3 觀測自適應(yīng)控制原理圖Fig.3 Simplified diagram of observational adaptivecontrol

    3.2 自適應(yīng)方程

    當(dāng)測量的角偏差和觀測到的控制量滿足設(shè)定的閾值條件時(shí),采用自適應(yīng)率調(diào)節(jié)控制量,同時(shí)根據(jù)觀測到的控制律按非連續(xù)性函數(shù)對自適應(yīng)部分的閾值進(jìn)行限幅。通過自適應(yīng)調(diào)節(jié),被控速度接近目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度,同時(shí)角度跟蹤偏差收斂到更小的范圍;當(dāng)自適應(yīng)控制律部分達(dá)到當(dāng)前的閾值時(shí),自適應(yīng)率為0,自適應(yīng)控制量不再改變,從而避免出現(xiàn)低頻振蕩。

    為使設(shè)計(jì)的自適應(yīng)方程在閉環(huán)系統(tǒng)中始終保持穩(wěn)定,令z=Δγi,并定義自適應(yīng)變量zτ,使得探測偏差z到自適應(yīng)變量zτ的傳遞函數(shù)趨近于零,當(dāng)z趨近于0時(shí),zτ也趨近于0。因此,設(shè)計(jì)滿足上述條件的自適應(yīng)律:

    自適應(yīng)矩陣為:

    自適應(yīng)學(xué)習(xí)律Γ為一正的系數(shù)矩陣,因此,可以得出自適應(yīng)參數(shù)為:

    其中θ0為自適應(yīng)參數(shù)的初值。綜上所述,自適應(yīng)控制律ua為:

    為防止自適應(yīng)率反復(fù)調(diào)節(jié)出現(xiàn)振蕩,實(shí)際調(diào)參時(shí)可調(diào)節(jié)自適應(yīng)率的參數(shù)與觀測限幅的參數(shù),在自適應(yīng)量達(dá)到當(dāng)前允許的最大限幅值時(shí)不再增加,保持當(dāng)前自適應(yīng)后的最大參數(shù),避免振蕩。自適應(yīng)參數(shù)τ1增大后,會(huì)相應(yīng)地放大信號中的噪聲,降低動(dòng)態(tài)精度,因此不宜過大。自適應(yīng)參數(shù)τ2過大會(huì)增加滯后特性,因此需對它進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別控制,保證快速響應(yīng)的同時(shí)提高動(dòng)態(tài)精度,減小滯后。

    3.3 自適應(yīng)參數(shù)限幅

    模型補(bǔ)償自適應(yīng)算法用到的平滑投影函數(shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)過大[10],在工程上應(yīng)用還會(huì)造成穩(wěn)態(tài)振蕩現(xiàn)象,對不確定隨機(jī)擾動(dòng)的魯棒性能會(huì)降低。自適應(yīng)魯棒控制器中的非連續(xù)性投影[14-15]采用固定值限幅會(huì)導(dǎo)致對不同跟蹤目標(biāo)時(shí)各項(xiàng)性能的最優(yōu)權(quán)衡適應(yīng)性下降。本文利用非連續(xù)性觀測投影函數(shù),旨在通過觀測當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),使內(nèi)部參數(shù)始終在一個(gè)可控的具體范圍內(nèi),此范圍通過觀測跟蹤目標(biāo)速度調(diào)整在合適的區(qū)間內(nèi),為應(yīng)對隨機(jī)干擾建立了一個(gè)緩沖區(qū)。具體如下:定義為不確定參數(shù)的自適應(yīng)值為該參數(shù)的自適應(yīng)控制律,定義自適應(yīng)值與理論最佳值之差為因此,采用的非連續(xù)性投影函數(shù)為:

    對于任意的自適應(yīng)函數(shù),只要符合上述的非連續(xù)性投影方程,均可以保證以下兩個(gè)結(jié)論成立:

    其中:Γ為自適應(yīng)學(xué)習(xí)律矩陣,τ為自適應(yīng)控制律,θkmin(μ),θkmax(μ)為通過觀測視線角速度計(jì)算得到的非連續(xù)限幅函數(shù),且滿足以下條件:

    其中:a>b>0為自適應(yīng)分段域的上下限,||ε||為經(jīng)驗(yàn)噪聲值,μmax為需要達(dá)到的最大跟蹤速度。

    3.4 狀態(tài)識(shí)別控制

    制導(dǎo)系統(tǒng)中,不同彈目距離和彈道中探測器輸出的角偏差具有不同的特性。通過狀態(tài)識(shí)別區(qū)分不同狀態(tài),并對自適應(yīng)方程參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,兼顧速度與精度。

    定義跟蹤偏差包含的測量誤差及干擾值為ε,真實(shí)值為z0,探測器測量的跟蹤偏差為z=z0+ε,則以往采用的比例項(xiàng)控制律可表示為:

    控制律將誤差放大了kp倍。典型的微分環(huán)節(jié)為:

    其中0

    一旦含有噪聲,噪聲信號會(huì)放大1/T倍,探測單元的周期越短,噪聲放大效應(yīng)越明顯。采用針對固定噪聲頻率的微分形式雖然能夠優(yōu)化噪聲,但對于探測單元伴隨的頻率不固定的干擾則會(huì)有過大的尖峰值。本文對微分項(xiàng)進(jìn)行分階段積分,以避免高速階段噪聲被放大的問題,即:

    當(dāng)微分偏差有連續(xù)增大或減小的趨勢時(shí),采用較大參數(shù)kd1對自適應(yīng)方程中的微分量進(jìn)行控制;當(dāng)跟蹤偏差呈現(xiàn)隨機(jī)振動(dòng)趨勢時(shí),采用較小參數(shù)kd2調(diào)節(jié)自適應(yīng)律,以解決在高速階段將誤差放大kp倍的缺陷,即:

    在制導(dǎo)系統(tǒng)中,式(14)中(a)階段的探測信號有效值大于噪聲值,(b)階段的噪聲值大于信號值。因此,采用微分項(xiàng)跟蹤時(shí)視線角速度的動(dòng)態(tài)精度高于比例跟蹤;其中Δ是狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的損失量,可以通過轉(zhuǎn)換時(shí)對前幾場微分狀態(tài)記錄并進(jìn)行補(bǔ)償,則自適應(yīng)部分微分項(xiàng)的控制律為:

    式中η為狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān),轉(zhuǎn)換為自適應(yīng)律形式為:

    同樣地,則自適應(yīng)部分偏差項(xiàng)的控制律為:

    因此,狀態(tài)識(shí)別的自適應(yīng)控制律為:

    由此,可得到投影后狀態(tài)識(shí)別控制的自適應(yīng)控制律,加上線性反饋,跟蹤環(huán)輸出的控制律為:

    由于角速度環(huán)響應(yīng)速度較高,如果跟蹤環(huán)因信號輸入或狀態(tài)切換導(dǎo)致角速度指令具有階躍特性,則會(huì)在角速度環(huán)產(chǎn)生超調(diào),進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤性能。因此,對于階躍特性的信號采用最速控制函數(shù)fhan()進(jìn)行過渡,如式(20)所示:

    其中:h為步長,r為加速增量。

    最終輸入到速度環(huán)的控制律為:

    光電跟蹤平臺(tái)的觀測自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)是對跟蹤環(huán)比例控制的改進(jìn)。角速度環(huán)采用常規(guī)的PID控制器,以驗(yàn)證內(nèi)環(huán)控制器相同的情況下外環(huán)控制器的改進(jìn)對整個(gè)系統(tǒng)的影響。

    4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

    4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與產(chǎn)品參數(shù)

    如圖4所示,搭建的測試平臺(tái)包括二軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、激光模擬器、某型號導(dǎo)引頭、伺服仿真系統(tǒng)以及直流穩(wěn)壓電源、工裝電纜等測試設(shè)備。導(dǎo)引頭放置在轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框架上,保持內(nèi)框架靜止;激光模擬器放置在轉(zhuǎn)臺(tái)外框架上,模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)引頭捕獲目標(biāo)后,轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)外框架按設(shè)定的角加速度和速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng),觀察導(dǎo)引頭目標(biāo)跟蹤狀態(tài)以及輸出的視線角速度。

    圖4 伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)Fig.4 Experimental test platform of servo system

    導(dǎo)引頭俯仰框轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為4.315×10-6g/mm2:方位框轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為5.04×10-6g/mm2,角速度環(huán)閉環(huán)周期為1 ms,激光跟蹤環(huán)周期為50 ms,自 適 應(yīng) 學(xué) 習(xí) 律 矩 陣Γ=[9,1],umax=14(o)/s,直流電機(jī)的電樞電阻常溫下小于10Ω,電氣常數(shù)小于0.46 ms,功放轉(zhuǎn)換系數(shù)為3.733×10?3。

    4.2 比例控制測試

    目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的期望速度設(shè)為12(o)/s,起動(dòng)時(shí)加速度為20(o)/s2,停止時(shí)加速度為100(o)/s2。激光通道比例制導(dǎo)控制器的比例項(xiàng)參數(shù)kp=12,14時(shí),輸出的跟蹤視線角速度如圖5所示。

    圖5 比例控制的視線角速度Fig.5 LOS angular velocity by proportion control

    視線角速度已失真,穩(wěn)態(tài)精度降低,kp=12的穩(wěn)態(tài)誤差為1.37(o)/s,動(dòng)態(tài)誤差為0.107(o)/s;kp=14的 穩(wěn) 態(tài) 誤 差 為0.11(o)/s,動(dòng) 態(tài) 誤 差 為0.19(o)/s。由此可見,增大比例系數(shù)可以提高跟蹤能力,但會(huì)降低動(dòng)態(tài)精度,對應(yīng)的激光角偏差如圖6所示。由圖6可知,激光測角線性區(qū)大概在0.75o,超過線性區(qū),則角偏差失真,提高增益可減弱失真程度。因此,根據(jù)比例增益與線性區(qū)可推算出比例制導(dǎo)不失真時(shí)的最大跟蹤角速度。

    圖6 比例制導(dǎo)激光跟蹤角偏差Fig.6 Laser tracking angledeviation by proportion control

    4.3 觀測自適應(yīng)控制測試

    同等實(shí)驗(yàn)條件下,觀測自適應(yīng)控制器輸出的視線角速度和激光角偏差如圖7所示。視線角速度的穩(wěn)態(tài)誤差為0.029(o)/s,穩(wěn)態(tài)誤差為0.05(o)/s,達(dá)到12(o)/s的響應(yīng)時(shí)間為470 ms,停止到0(o)/s的時(shí)間為170 ms,超調(diào)小于2%。由此可見,觀測自適應(yīng)控制的響應(yīng)速度與動(dòng)態(tài)精度均高于比例制導(dǎo),且跟蹤過程中激光角偏差均處于線性區(qū)范圍內(nèi)。圖8為自適應(yīng)控制律的參數(shù)變化量,模式識(shí)別下的自適應(yīng)參數(shù)τ2在加速階段不斷調(diào)節(jié),穩(wěn)定階段為6.75,自適應(yīng)變化率為0,未將噪聲疊加或放大;自適應(yīng)參數(shù)τ1在加速階段隨著角偏差與速度而變化,穩(wěn)定階段保持在4,在收斂和狀態(tài)改變階段未產(chǎn)生振蕩。

    圖7 觀測自適應(yīng)控制的視線角速度和偏差Fig.7 LOS angular velocity and laser angle deviation by observational adaptive control

    圖8 觀測自適應(yīng)控制參數(shù)Fig.8 Adaptive parameters of OAC

    對于低速目標(biāo)跟蹤,當(dāng)輸入1(o)/s的單位階躍運(yùn)動(dòng)信號時(shí),觀測投影自適應(yīng)算法輸出的視線角速度和激光角誤差如圖9所示。當(dāng)跟蹤不同速度的目標(biāo)(2,?3,4,?5,6,?7(o)/s)時(shí),觀測自適應(yīng)算法輸出的視線角速度如圖10所示,自適應(yīng)參數(shù)如圖11所示。

    圖9 單位階躍輸入跟蹤效果Fig.9 Result of tracking with unit step input

    圖10 不同速度下的跟蹤視線角速度Fig.10 LOSangular velocity with different input velocities

    圖11 不同速度下的自適應(yīng)參數(shù)Fig.11 Adaptiveparameterswith different input velocities

    由上述測試結(jié)果中可以看出,自適應(yīng)量隨著目標(biāo)速度的不同進(jìn)行自主調(diào)節(jié)以保證視線角速度精度。低速狀態(tài)下未出現(xiàn)噪聲放大現(xiàn)象,動(dòng)態(tài)誤差均小于0.04(o)/s,快速狀態(tài)未出現(xiàn)失真,穩(wěn)態(tài)誤差均小于0.05(o)/s,可見自適應(yīng)方程具有對不同速度目標(biāo)的適應(yīng)能力。自適應(yīng)量在收斂和穩(wěn)態(tài)階段并未出現(xiàn)振蕩,其限幅值隨著目標(biāo)速度而改變(從0.75隨不同速度調(diào)節(jié)到4),可見通過觀測速度狀態(tài)對自適應(yīng)量進(jìn)行非連續(xù)性限幅達(dá)到了預(yù)期效果。在不同速度的穩(wěn)態(tài)階段視線角速度的動(dòng)態(tài)精度之差小于0.02(o)/s,單位階躍響應(yīng)時(shí)間小于200 ms,跟蹤12(o)/s目標(biāo)的響應(yīng)時(shí)間為470 ms,可見狀態(tài)識(shí)別控制在提高響應(yīng)速度的同時(shí)保證了精度;跟蹤不同速度目標(biāo)時(shí),觀測自適應(yīng)算法的視線角速度精度、動(dòng)態(tài)誤差、超調(diào)量和自適應(yīng)參數(shù)如表1所示。

    表1 不同速度目標(biāo)的跟蹤結(jié)果Tab.1 Tracking result of target with different velocities

    由表1可知,觀測自適應(yīng)算法對自適應(yīng)參數(shù)具備控制能力,并能兼顧動(dòng)態(tài)精度與快速性。自適應(yīng)參數(shù)1始終保持正值,并隨著目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的變化而調(diào)節(jié),以滿足對不同速度的跟蹤能力和魯棒性;自適應(yīng)參數(shù)2根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而調(diào)節(jié),增強(qiáng)響應(yīng)速度并減小噪聲放大效應(yīng);非連續(xù)性觀測投影使自適應(yīng)參數(shù)始終處在與當(dāng)前速度匹配的范圍內(nèi),避免頻繁調(diào)節(jié);利用過渡函數(shù)有效抑制了系統(tǒng)的超調(diào)。

    5 結(jié) 論

    為滿足精確制導(dǎo)武器響應(yīng)速度快、制導(dǎo)精度高的要求,本文提出了一種適用于光電平臺(tái)跟蹤環(huán)路的觀測自適應(yīng)控制方法。首先介紹了光電導(dǎo)引頭雙環(huán)伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理,然后分析了探測特性對跟蹤環(huán)的影響以及常用控制算法的優(yōu)勢與不足,最后給出了適用于窄測角線性區(qū)并兼顧響應(yīng)速度與精度的觀測自適應(yīng)控制算法。對某型號導(dǎo)引頭進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:觀測自適應(yīng)控制器跟蹤1(o)/s運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)的響應(yīng)時(shí)間為70 ms,穩(wěn)態(tài)誤差為0.009(o)/s,動(dòng)態(tài)誤差為0.017(o)/s,相比kp=12的比例制導(dǎo),響應(yīng)時(shí)間保持不變,超調(diào)降低了45.8%,穩(wěn)態(tài)誤差降低了6.7%,動(dòng)態(tài)誤差降低了75.3%;跟蹤12(o)/s運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí),激光探測器測量出的角偏差仍在線性區(qū)范圍內(nèi),相比kp=12的比例制導(dǎo),穩(wěn)定階段觀測自適應(yīng)控制器輸出的視線角速度動(dòng)態(tài)誤差降低了53.3%;相比kp=14的比例制導(dǎo),其穩(wěn)態(tài)誤差降低了55.5%,動(dòng)態(tài)誤差降低了84.7%;跟蹤3~9(o)/s運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí),視線角速度的超調(diào)量均在8%以內(nèi),動(dòng)態(tài)誤差均不超過0.046(o)/s。因此,觀測自適應(yīng)控制器滿足速度與精度的要求。

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