陀螺稳像平台滑模变结构控制的优化设计
日期：2021-11-25 17:48:40 浏览：1 栏目：公司动态
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陀螺稳像平台滑模变结构控制的优化设计
吕春苗1, 2,史泽林1,王洪福1
(1.中国科学院沈阳自动化研究所,辽宁沈阳 110016; 2.中国科学院研究生院,北京 100049)
摘 要:提出一种积分分离PID滑模控制策略.引入幂次项进行平滑设计,以减少指数趋近律引起的抖振.仿真结果表明,这种改进的稳像平台滑模控制策略在保证系统鲁棒性的同时,能够大大提高平台对载体扰动的隔离性能.
关键词:滑模变结构控制;趋近律;稳像平台;抖振;隔离度
中图分类号: TP271+. 4 文献标识码: A
1 引言(Introduction)
机载吊舱平台设计的目标是获得稳定清晰的图像,其核心是提高平台的隔离性能.由于系统处于复杂的力学、温度环境,导致轴系摩擦力矩变化和质量分布不均衡,需要控制系统具有较好的鲁棒性.在提高系统的隔离性能方面,目前开展了大量的研究.文[1]提出改进的串联平方滞后超前校正,同时在速度环中引入非线性加速度补偿,克服了平台谐振频率较低和换向引发的尖峰问题,但是鲁棒性不够好.文[2]用神经网络自适应控制算法解决了参数和扰动的时变问题.文[3]采用随机自适应控制方法进行控制器设计,根据系统的状态参数和扰动变化不断调整控制器参数,达到最优的二次性能指标,通常需设计一个高阶的卡尔曼滤波器.滑模控制(SlidingMode Contro,l SMC)采用不连续控制律,由于其对外界干扰和系统摄动具有完全的自适应性,因此近年来滑模控制用于稳像平台控制已受到研究者的广泛关注.文[4]采用等效控制加切换控制,用切换控制保证了系统的鲁棒性,但这种方法需要找到一个固定常数满足李亚普诺夫方程渐近稳定条件,此常数的选取直接影响系统的控制精度.本文借鉴积分分离PID控制算法的思想,提出一种积分分离PID滑模控制策略,参数选取简便、容易实现,并且在保证稳定性和快速趋近的前提下,引入幂次项对指数趋近律中引起抖振的因素进行改进,达到了比较满意的系统性能指标.
2 问题描述(Problem description)
稳像平台系统主要由直流力矩电机、PWM功率放大器、速率陀螺、平台框架以及安装在框架上的光学系统等组件组成.当外界干扰力矩作用于平台时,陀螺测量平台运动角速度信号,通过滑模控制器控制力矩电机产生反方向力矩来平衡干扰.由于陀螺带宽比系统带宽大得多,因此在回路中用比例环节代替实际模型;由于电机的电磁时间常数远小于电机时间常数,因此可以忽略电枢电感的影响;将电机模型简化为一阶惯性环节.图1为采用滑模控制器的单通道系统框图.
稳像平台系统本身存在各种摩擦、质量偏心、轴系耦合等干扰因素,系统设计的目标就是在消除这些不确定干扰的前提下(即使系统具有一定鲁棒性),隔离基座扰动,使侦察系统能够获得更清晰的图像.一般用隔离度来描述稳像平台系统对载体角运动的衰减程度,定义为由于载体运动而引起的视轴晃动角度与载体运动的角度之比.
3 控制系统设计策略(Design strategy ofthe control system)
积分控制器虽然可以补偿参数模型的不确定性,但控制器的输出由于积分作用的不断累加而增大,从而使执行机构达到饱和状态,直到偏差由正变负时,控制器才开始退出饱和状态,这样就会不可避免地产生超调.受积分分离PID控制算法的启发,本文提出一种积分分离PID滑模控制来克服超调和积分饱和现象,其基本思想就是在误差处于一定范围之内时再开始积分动作.也就是说,当偏差较大时,采用PD控制,使超调量大幅度降低;当偏差较小时,采用PID控制,保证系统的精度.
滑模变结构控制虽然具有快速响应、对不确定扰动不敏感等一系列优点,但是它本身的切换控制不可避免地产生抖振问题.抖振问题会影响系统的稳定性和跟踪精度,同时增加系统的能量消耗.修正趋近律的方法是消除抖振最为简便有效的方法.现有的趋近律都存在不足:基于等速趋近律s•=-εsgn(s)的滑模控制采用由不确定的界限计算出来的固定控制增益,如果增益ε太小,则趋近速度很小,导致控制的过渡过程变长;相反,若ε很大,则到达滑模面引起的抖振较大.基于指数趋近律s•=-εsgn(s)-ks的方法虽然可以通过减小ε、增大k加速趋近过程,并大大削弱抖振,但等速项εsgn(s)的存在使系统并不能从理论上消除抖振的出现.基于幂次趋近律能实现平滑进入滑动模态,但在快速趋近方面有不足.
在指数趋近律中,εsgn(s)是滑模面附近产生抖振的主要原因,因此可以结合幂次趋近律,将ε设计如下:
5 结论(Conclusion)
从实验分析得到以下结论:首先,在扰动频率小于3Hz的条件下,PD滑模控制器隔离效果远不如采用本文所述的积分分离PID滑模控制器;其次,参数摄动和随机干扰对系统的隔离度造成的影响很微弱,也就是说采用本文所述的控制系统设计策略,系统具有较好的鲁棒性;再次,平台的隔离度同时受扰动信号的幅值和频率的影响,但是对幅值的变化更为敏感.此外,该系统对低频、小幅值的信号抑制能力相对较强.下一步的工作将在框架上加装加速度传感器感测高频、幅值较大的扰动信号,用加速度前馈的方法进行补偿,进一步提高平台的隔离性能.
吕春苗1, 2,史泽林1,王洪福1
(1.中国科学院沈阳自动化研究所,辽宁沈阳 110016; 2.中国科学院研究生院,北京 100049)
摘 要:提出一种积分分离PID滑模控制策略.引入幂次项进行平滑设计,以减少指数趋近律引起的抖振.仿真结果表明,这种改进的稳像平台滑模控制策略在保证系统鲁棒性的同时,能够大大提高平台对载体扰动的隔离性能.
关键词:滑模变结构控制;趋近律;稳像平台;抖振;隔离度
中图分类号: TP271+. 4 文献标识码: A
1 引言(Introduction)
机载吊舱平台设计的目标是获得稳定清晰的图像,其核心是提高平台的隔离性能.由于系统处于复杂的力学、温度环境,导致轴系摩擦力矩变化和质量分布不均衡,需要控制系统具有较好的鲁棒性.在提高系统的隔离性能方面,目前开展了大量的研究.文[1]提出改进的串联平方滞后超前校正,同时在速度环中引入非线性加速度补偿,克服了平台谐振频率较低和换向引发的尖峰问题,但是鲁棒性不够好.文[2]用神经网络自适应控制算法解决了参数和扰动的时变问题.文[3]采用随机自适应控制方法进行控制器设计,根据系统的状态参数和扰动变化不断调整控制器参数,达到最优的二次性能指标,通常需设计一个高阶的卡尔曼滤波器.滑模控制(SlidingMode Contro,l SMC)采用不连续控制律,由于其对外界干扰和系统摄动具有完全的自适应性,因此近年来滑模控制用于稳像平台控制已受到研究者的广泛关注.文[4]采用等效控制加切换控制,用切换控制保证了系统的鲁棒性,但这种方法需要找到一个固定常数满足李亚普诺夫方程渐近稳定条件,此常数的选取直接影响系统的控制精度.本文借鉴积分分离PID控制算法的思想,提出一种积分分离PID滑模控制策略,参数选取简便、容易实现,并且在保证稳定性和快速趋近的前提下,引入幂次项对指数趋近律中引起抖振的因素进行改进,达到了比较满意的系统性能指标.
2 问题描述(Problem description)
稳像平台系统主要由直流力矩电机、PWM功率放大器、速率陀螺、平台框架以及安装在框架上的光学系统等组件组成.当外界干扰力矩作用于平台时,陀螺测量平台运动角速度信号,通过滑模控制器控制力矩电机产生反方向力矩来平衡干扰.由于陀螺带宽比系统带宽大得多,因此在回路中用比例环节代替实际模型;由于电机的电磁时间常数远小于电机时间常数,因此可以忽略电枢电感的影响;将电机模型简化为一阶惯性环节.图1为采用滑模控制器的单通道系统框图.
稳像平台系统本身存在各种摩擦、质量偏心、轴系耦合等干扰因素,系统设计的目标就是在消除这些不确定干扰的前提下(即使系统具有一定鲁棒性),隔离基座扰动,使侦察系统能够获得更清晰的图像.一般用隔离度来描述稳像平台系统对载体角运动的衰减程度,定义为由于载体运动而引起的视轴晃动角度与载体运动的角度之比.
3 控制系统设计策略(Design strategy ofthe control system)
积分控制器虽然可以补偿参数模型的不确定性,但控制器的输出由于积分作用的不断累加而增大,从而使执行机构达到饱和状态,直到偏差由正变负时,控制器才开始退出饱和状态,这样就会不可避免地产生超调.受积分分离PID控制算法的启发,本文提出一种积分分离PID滑模控制来克服超调和积分饱和现象,其基本思想就是在误差处于一定范围之内时再开始积分动作.也就是说,当偏差较大时,采用PD控制,使超调量大幅度降低;当偏差较小时,采用PID控制,保证系统的精度.
滑模变结构控制虽然具有快速响应、对不确定扰动不敏感等一系列优点,但是它本身的切换控制不可避免地产生抖振问题.抖振问题会影响系统的稳定性和跟踪精度,同时增加系统的能量消耗.修正趋近律的方法是消除抖振最为简便有效的方法.现有的趋近律都存在不足:基于等速趋近律s•=-εsgn(s)的滑模控制采用由不确定的界限计算出来的固定控制增益,如果增益ε太小,则趋近速度很小,导致控制的过渡过程变长;相反,若ε很大,则到达滑模面引起的抖振较大.基于指数趋近律s•=-εsgn(s)-ks的方法虽然可以通过减小ε、增大k加速趋近过程,并大大削弱抖振,但等速项εsgn(s)的存在使系统并不能从理论上消除抖振的出现.基于幂次趋近律能实现平滑进入滑动模态,但在快速趋近方面有不足.
在指数趋近律中,εsgn(s)是滑模面附近产生抖振的主要原因,因此可以结合幂次趋近律,将ε设计如下:
5 结论(Conclusion)
从实验分析得到以下结论:首先,在扰动频率小于3Hz的条件下,PD滑模控制器隔离效果远不如采用本文所述的积分分离PID滑模控制器;其次,参数摄动和随机干扰对系统的隔离度造成的影响很微弱,也就是说采用本文所述的控制系统设计策略,系统具有较好的鲁棒性;再次,平台的隔离度同时受扰动信号的幅值和频率的影响,但是对幅值的变化更为敏感.此外,该系统对低频、小幅值的信号抑制能力相对较强.下一步的工作将在框架上加装加速度传感器感测高频、幅值较大的扰动信号,用加速度前馈的方法进行补偿,进一步提高平台的隔离性能.
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