王琛琛, 王新龍, 黃 海

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擾動觀測器在慣導(dǎo)平臺穩(wěn)定回路中的應(yīng)用方法

王琛琛1, 王新龍1, 黃 海2

(1. 北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院, 北京, 100191; 2. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西 西安, 710075)

慣性技術(shù)的發(fā)展對慣導(dǎo)平臺穩(wěn)定回路穩(wěn)定性、抗干擾性等性能的要求越來越高, 但摩擦力矩以及其他各種干擾力矩對穩(wěn)定回路性能的進(jìn)一步提高產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。為了有效克服這些干擾力矩對穩(wěn)定回路性能的影響, 在傳統(tǒng)比例微分積分(PID)方法對穩(wěn)定回路進(jìn)行控制的基礎(chǔ)上, 提出了一種利用擾動觀測器來抑制干擾力矩以提高穩(wěn)定回路性能的方法。通過利用回路中力矩電流和角速度信息構(gòu)成擾動觀測器, 對作用于平臺系統(tǒng)的干擾力矩進(jìn)行抑制。仿真結(jié)果表明, 擾動觀測器的引入沒有影響原有PID控制穩(wěn)定回路的動態(tài)性能, 且能夠?qū)Ω蓴_進(jìn)行有效的抑制, 提高了穩(wěn)定回路的穩(wěn)定精度和抗干擾性。

擾動觀測器; 傳統(tǒng)比例微分積分控制; 慣性平臺; 穩(wěn)定回路

0 引言

目前, 平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)憑借其自主性強的特點, 在水下潛器、水面艦船等潛載武器系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

穩(wěn)定回路作為平臺式慣導(dǎo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 回路的穩(wěn)定性、快速性及抗干擾性等因素直接影響著慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航性能。目前, 穩(wěn)定回路應(yīng)用較多的是傳統(tǒng)比例積分微分(proportion-integration- differentiation, PID)控制, 雖然該方法實現(xiàn)起來簡單, 但基于此方法的穩(wěn)定回路穩(wěn)定精度不高、抗干擾性不強。國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究, 提出的方法主要有: 變結(jié)構(gòu)控制[1]、模糊PID控制[2]、自抗擾控制[3]、低速自適應(yīng)PID控制[4]、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制[5]及∞魯棒控制[6]等。和傳統(tǒng)的PID控制相比, 這些方法在系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗干擾性雖都有所改進(jìn), 但是實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。

基于此, 本文在利用傳統(tǒng)PID方法對穩(wěn)定回路控制的基礎(chǔ)上, 設(shè)計了一種基于擾動觀測器抑制擾動的方法。該方法可以實時預(yù)測系統(tǒng)的干擾并對其補償, 減小了各種干擾及參數(shù)變化對系統(tǒng)穩(wěn)定精度的影響, 且結(jié)構(gòu)簡單、計算量小。

1 慣導(dǎo)平臺穩(wěn)定回路的組成

1.1 慣導(dǎo)平臺穩(wěn)定回路的組成

通常, 穩(wěn)定回路由機械平臺、三環(huán)框架、安裝在平臺上的陀螺儀、力矩電機、坐標(biāo)變換器和控制電路組成, 如圖1所示。圖中:M為總的干擾力矩;M為力矩電機產(chǎn)生的力矩。

圖1 穩(wěn)定回路結(jié)構(gòu)原理框圖

機械平臺是安裝陀螺儀和加速度計的載體, 三環(huán)框架為其提供3個方向的轉(zhuǎn)動自由度。陀螺儀是角速度敏感元件, 當(dāng)有干擾力矩M作用在臺體框架軸上時, 它會敏感該軸的轉(zhuǎn)動角速度, 輸出幅度與此角速度成比例的正弦信號。該正弦信號經(jīng)前置放大環(huán)節(jié), 傳輸給控制電路板, 在控制電路板上進(jìn)行選頻放大、帶通濾波、全波相敏解調(diào)、低通濾波、校正、直流放大及脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM), 再經(jīng)橋式功率放大后驅(qū)動力矩電機, 產(chǎn)生力矩M, 以抵消作用在臺體框架上的干擾力矩。其中, 三環(huán)框架有3條穩(wěn)定回路: 方位回路、俯仰回路和橫滾回路。這3條回路之間存在著交叉耦合作用, 一般情況下, 可將這種耦合作用當(dāng)成外界擾動, 按單通道設(shè)計穩(wěn)定回路[7]。由于3條回路的工作原理基本相同, 因此, 本文以方位通道為例對穩(wěn)定回路進(jìn)行設(shè)計分析。

1.2 穩(wěn)定回路的控制結(jié)構(gòu)

對于平臺式慣導(dǎo)的穩(wěn)定回路, 一般來說, 除了校正網(wǎng)絡(luò)、直流力矩電機和陀螺儀外, 其他環(huán)節(jié)都可看成比例環(huán)節(jié)[8], 采用“電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)”控制, 其控制框圖如圖2所示。

即穩(wěn)定回路的力矩剛度為

2 基于擾動觀測器的回路控制

2.1 擾動觀測器的設(shè)計

作用于穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的摩擦力矩、結(jié)構(gòu)質(zhì)心靜不平衡力矩、風(fēng)阻力矩以及其他干擾力矩存在著非線性和不確定性, 難以通過對擾動建立精確的模型進(jìn)行補償。因此本文采用一種非模型的補償方式—擾動觀測器的方法對擾動進(jìn)行補償。

圖3 擾動觀測器的基本結(jié)構(gòu)

圖4 擾動觀測器的結(jié)構(gòu)圖

由圖4可得

根據(jù)式(7)將擾動觀測器設(shè)計為

則有

由此, 可得改進(jìn)后的擾動觀測器如圖5所示。

2.2 擾動觀測器在穩(wěn)定回路中的實現(xiàn)

當(dāng)有擾動力矩作用在臺體軸時, 力矩電機會有電流產(chǎn)生, 陀螺儀會有角速度輸出, 產(chǎn)生的電流和陀螺儀敏感到的角速度送入擾動觀測器中, 擾動觀測器將估計出來的力矩經(jīng)電機力矩系數(shù)的逆變換前饋到穩(wěn)定回路中, 回路中力矩電機產(chǎn)生與干擾力矩大小相當(dāng)、方向相反的抵抗力矩, 從而實現(xiàn)了對干擾的有效抑制。

圖6 帶有擾動觀器的穩(wěn)定回路控制結(jié)構(gòu)圖

3 仿真驗證與分析

根據(jù)穩(wěn)定回路的設(shè)計指標(biāo)利用MATLAB/ Simulink軟件先后將電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制器設(shè)計成如下形式

為了分析擾動觀測器的引入對平臺穩(wěn)定回路動態(tài)過程的影響, 對引入擾動觀測器前后的穩(wěn)定回路分別進(jìn)行了仿真, 仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

從圖7、圖8可看出, 擾動觀測器引入前后, 系統(tǒng)的帶寬均約為21 Hz, 穩(wěn)定回路的頻率響應(yīng)曲線幾乎相同, 可見擾動觀測器的加入沒有影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程。

圖7 未引入擾動觀測器系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性

圖8 引入擾動觀測器系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性

圖9 方波干擾下未引入觀測器系統(tǒng)輸出角

圖10 方波干擾下引入觀測器系統(tǒng)輸出角

圖11 隨機干擾下未引入觀測器系統(tǒng)輸出角

圖12 隨機干擾下引入觀測器系統(tǒng)輸出角

仿真結(jié)果表明, 無論是對于摩擦力矩、平臺框架靜不平衡力矩等具有周期特性的干擾力矩, 還是對風(fēng)阻力矩等具有隨機特性的干擾力矩, 擾動觀測器的引入均能對干擾進(jìn)行抑制, 從而有效提高了平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)穩(wěn)定回路的抗干擾性和精確性。

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)PID控制的穩(wěn)定回路抗擾性不強,穩(wěn)定精度不高的問題, 本文提出了一種在傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上引用擾動觀測器對穩(wěn)定回路擾動進(jìn)行補償?shù)姆椒? 進(jìn)一步通過仿真驗證, 可以得到如下結(jié)論。

1) 利用擾動觀測器對慣導(dǎo)平臺穩(wěn)定回路的干擾進(jìn)行補償, 不需要對干擾信號進(jìn)行精確建模, 干擾信號可通過力矩電流和角速度間接的將擾動估計出來, 且觀測器結(jié)構(gòu)簡單, 便于實現(xiàn)。

2) 擾動觀測器引入前后穩(wěn)定回路的帶寬基本不變, 引入觀測器沒有影響原有穩(wěn)定回路的動態(tài)響應(yīng)過程。

3) 擾動觀測器能有效的抑制作用于平臺系統(tǒng)的干擾力矩, 并且當(dāng)干擾力矩具有周期特性時抑制效果更加明顯。

由此可見, 將擾動觀測器應(yīng)用在傳統(tǒng)PID控制的穩(wěn)定回路中是一種提高穩(wěn)定回路性能的簡單、有效的方法。

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Application of Disturbance Observer to Stabilization Loop in Inertial Platform

WANG Chen-chen, WANG Xin-long, Huang Hai

(1. School of Astronautics, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Torques of friction and other disturbance counteract the performance improvement of the stabilization loop in inertial stable platform. To overcome these torques, a method utilizing disturbance observer to inhibit the disturbance torques is proposed on the basis of the traditional proportion-integration-differentiation (PID) control method. The disturbance observer is composed of the torque current and angular velocity. Simulationresults show that introduction of the disturbance observer effectively inhibits the disturbance torqueswithout influencing the dynamic performance of the original PID controlled stabilization loop and, hence enhances the accuracy and disturbance-inhibition capability of the stabilization loop.

disturbance observer; traditional proportion-integration-differentiation (PID) control; inertial platform; stabiliza- tion loop

TJ765.3

A

1673-1948(2012)03-0195-06

2011-11-11;

2012-02-16.

王琛琛(1987-), 女, 在讀碩士, 研究方向為導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)