王海穩(wěn)，曲俊海，孫漢青，龐繼文

（1.太原科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，太原030024；2.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006）

基于DOB和二自由度控制器的某火炮穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王海穩(wěn)1，曲俊海2，孫漢青2，龐繼文2

（1.太原科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，太原030024；2.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006）

火炮穩(wěn)定控制系統(tǒng)性能會(huì)受到如路況、火炮射擊時(shí)產(chǎn)生的沖擊力矩等外部擾動(dòng)以及摩擦力矩變化、測(cè)量噪聲、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化等內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)的影響。針對(duì)此問(wèn)題，引入一種DOB觀測(cè)器和二自由度控制算法，來(lái)減少摩擦對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提高系統(tǒng)對(duì)載體擾動(dòng)的隔離能力。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的算法可以有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定精度和速度伺服性能。

炮控系統(tǒng)，二自由度，DOB，穩(wěn)定精度

0 引言

火炮穩(wěn)定控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“炮控系統(tǒng)”）是火控系統(tǒng)的重要組成部分，作為火力控制主線末端的執(zhí)行系統(tǒng)，發(fā)揮著控制火炮/炮塔指向和隔離載體擾動(dòng)的作用，是實(shí)現(xiàn)火控系統(tǒng)主要戰(zhàn)技指標(biāo)的重要保證。性能優(yōu)良的炮控系統(tǒng)可保證炮手在車輛高速行進(jìn)時(shí)對(duì)火炮/炮塔指向的快速調(diào)整與精確瞄準(zhǔn)。本文的重點(diǎn)就是設(shè)計(jì)先進(jìn)的控制算法，使系統(tǒng)在受到如路況、火炮射擊時(shí)產(chǎn)生的沖擊力矩等外部擾動(dòng)以及摩擦力矩變化、測(cè)量噪聲、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化等內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)的情況下，依然能夠快速地調(diào)轉(zhuǎn)火炮、精確地瞄準(zhǔn)。

二自由度控制概念最早由Horowitz提出，近年來(lái)許多學(xué)者針對(duì)不同對(duì)象對(duì)其進(jìn)行了許多研究，能夠給伺服系統(tǒng)帶來(lái)高響應(yīng)速度和精度，提高系統(tǒng)的魯棒性，在高性能伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了成功的應(yīng)用?；谝陨戏治?，本文將二自由度控制器應(yīng)用于炮控系統(tǒng)中，提出一種新型炮控二自由度控制算法，可優(yōu)化系統(tǒng)對(duì)操縱信號(hào)和載體擾動(dòng)的響應(yīng)性能。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果均驗(yàn)證了該算法的有效性。

1 炮控系統(tǒng)的組成和基本原理

炮控系統(tǒng)一般由操縱裝置、控制箱、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行電機(jī)、陀螺儀和傳動(dòng)裝置等組成。如圖1所示為速率穩(wěn)定控制系統(tǒng)的原理框圖，系統(tǒng)由速率穩(wěn)定和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成。電流閉環(huán)系統(tǒng)用于克服電機(jī)本身的參數(shù)攝動(dòng)和電氣時(shí)間常數(shù)影響，保證電流（即電機(jī)力矩）對(duì)輸入控制電壓的響應(yīng)特性。陀螺速率穩(wěn)定閉環(huán)系統(tǒng)用于完成輸出速度對(duì)輸入指令的跟隨和對(duì)載體擾動(dòng)的克服。因此，陀螺穩(wěn)定閉環(huán)系統(tǒng)可以看作是以指令為輸入和以擾動(dòng)為輸入的兩套速度伺服系統(tǒng)的疊加工作。

圖1 炮控系統(tǒng)原理框圖

輸入指令一般是慢變的，對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)來(lái)說(shuō)可以用階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差和調(diào)節(jié)時(shí)間來(lái)衡量其性能；而載體擾動(dòng)則較為復(fù)雜，與多種因素（如路況、車輛的行進(jìn)速度、底盤懸掛系統(tǒng)的性能、陀螺的帶寬以及各傳動(dòng)環(huán)節(jié)機(jī)械剛度等）有關(guān)。因此，本文主要研究對(duì)于載體擾動(dòng)的二自由度控制策略。

2 DOB和二自由度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 擾動(dòng)觀測(cè)補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在圖1所示的炮控系統(tǒng)中，由于摩擦對(duì)系統(tǒng)精度有較大的影響，因此，在穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先對(duì)摩擦進(jìn)行擾動(dòng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

2.1.1 DOB觀測(cè)器的原理

擾動(dòng)觀測(cè)器（DOB）最早由日本學(xué)者K.Ohnishi于1978提出，Umeno和hori提出了擾動(dòng)觀測(cè)理論。擾動(dòng)觀測(cè)器（DOB）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既能有效地解決干擾、模型不確定性及非線性摩擦問(wèn)題，又能夠補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)態(tài)滯后，提高系統(tǒng)的跟蹤精度。擾動(dòng)觀測(cè)的主要原理是將實(shí)際輸出與名義模型輸出之間的差異看作是作用于名義模型的等效擾動(dòng)，估計(jì)出這種等效擾動(dòng)后，將其加入到控制端以抵消外部擾動(dòng)的影響。

2.1.2 擾動(dòng)觀測(cè)補(bǔ)償

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)中存在的摩擦、模型不確定等進(jìn)行觀測(cè)補(bǔ)償，原理如圖2所示，其中If是電流反饋系數(shù)，Cm是力矩系數(shù)，Mf是摩擦力矩，Gm（s）是機(jī)電模型，P（s）是傳動(dòng)環(huán)節(jié)以及被控對(duì)象模型，設(shè)計(jì)的擾動(dòng)觀測(cè)器中對(duì)前向通道的各環(huán)節(jié)進(jìn)行了逆處理。其中通過(guò)對(duì)象標(biāo)稱模型的逆Pn-1（s）替代了實(shí)際對(duì)象模型的逆P-1（s），同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)低通濾波器Q（s），這樣就保證了Q（s）Pn-1（s）物理可實(shí)現(xiàn)。

圖2 炮控系統(tǒng)摩擦觀測(cè)補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖

從系統(tǒng)輸入輸出特性分析擾動(dòng)觀測(cè)器，如圖2所示，系統(tǒng)輸出的表達(dá)式為：

由一般的運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)的實(shí)際情況可知，系統(tǒng)的外部干擾和跟蹤指令信號(hào)一般都集中在低頻段，而測(cè)量噪聲則在高頻范圍內(nèi)。因此，可以通過(guò)濾波器Q（s）用來(lái)調(diào)整上式所示的傳遞函數(shù)。實(shí)現(xiàn)抑制對(duì)象低頻干擾和高頻測(cè)量噪聲的目的。通常，假定外部干擾和測(cè)量噪聲具有不同的頻率范圍，如果在低頻段，Q（s）=1，在高頻段，Q（s）=0。上式就可以近似如下：

這說(shuō)明在低頻段，DOB使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與標(biāo)稱模型相近似。高頻段則系統(tǒng)接近于開環(huán)控制，沒(méi)有測(cè)量噪聲存在。因此，Q（s）的設(shè)計(jì)決定了DOB控制結(jié)構(gòu)的魯棒性和高頻噪聲抑制能力。本文中設(shè)計(jì)Q（s）為四階巴特沃斯濾波器，選擇低通濾波器截止頻率為100 Hz，采樣頻率為1 MHz，根據(jù)MATLAB的FDATOOL工具箱設(shè)計(jì)四階巴特沃斯濾波器如下：

其中：

2.2 二自由度控制器設(shè)計(jì)

2.2.1 重構(gòu)載體擾動(dòng)信號(hào)

本系統(tǒng)中，陀螺反饋信號(hào)實(shí)質(zhì)上是載體擾動(dòng)和火炮/炮塔相對(duì)承載機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)作差的結(jié)果，即陀螺輸出已經(jīng)是誤差信號(hào)，而要對(duì)載體擾動(dòng)進(jìn)行二自由度控制就必須重構(gòu)一個(gè)可作用于系統(tǒng)的載體擾動(dòng)信號(hào)。針對(duì)該問(wèn)題，如圖3所示設(shè)計(jì)在負(fù)載端安裝測(cè)速機(jī)（也可以使用旋變或者碼盤得到的位置信號(hào)進(jìn)行微分得到速度信號(hào)），其信號(hào)與陀螺信號(hào)相減并進(jìn)行濾波處理后得到載體擾動(dòng)信號(hào)。在重構(gòu)的過(guò)程中由于傳感器的線性度、測(cè)量噪聲以及采樣時(shí)間差等影響會(huì)使得重構(gòu)出的擾動(dòng)信號(hào)存在噪聲，因此，需要在作用于系統(tǒng)之前進(jìn)行濾波處理。

圖3 炮控系統(tǒng)二自由度控制原理圖

2.2.2 二自由度控制器設(shè)計(jì)

將重構(gòu)并濾波后的擾動(dòng)信號(hào)加入到系統(tǒng)中，與陀螺反饋系統(tǒng)構(gòu)成二自由度控制器，按照不變性原理設(shè)計(jì)F（s）。通過(guò)反饋通道克服參數(shù)攝動(dòng)，外部擾動(dòng)等影響，通過(guò)前饋通道保證載體擾動(dòng)信號(hào)的速度響應(yīng)，從而保證了系統(tǒng)穩(wěn)定精度的有效提高。

3 系統(tǒng)建模仿真

圖4為某炮控系統(tǒng)的仿真模型，圖5是圖4中obj部分的仿真模型，通過(guò)系統(tǒng)仿真可以觀察到各控制部分對(duì)系統(tǒng)的作用，以及采取不同控制方法對(duì)最終控制性能的影響。

圖4 某炮控系統(tǒng)的仿真模型

圖5 obj部分的仿真模型

3.1 摩擦擾動(dòng)和DOB觀測(cè)器輸出對(duì)比

下頁(yè)圖6所示為摩擦擾動(dòng)和DOB觀測(cè)器輸出的特性曲線對(duì)比。從圖中可以看出DOB觀測(cè)器輸出值與摩擦擾動(dòng)波形基本一致，符號(hào)相反，幅值略小。

3.2 載體擾動(dòng)信號(hào)重構(gòu)濾波后的效果

圖7為載體擾動(dòng)原始信號(hào)和重構(gòu)濾波后的信號(hào)對(duì)比，從圖中可以看出重構(gòu)濾波后的信號(hào)與原始信號(hào)波形基本一致，但包含一定的噪聲。

圖6 摩擦擾動(dòng)和DOB觀測(cè)器輸出的特性曲線

圖7 摩擦擾動(dòng)和DOB觀測(cè)器輸出的特性曲線

3.3 加入DOB和二自由度控制器后的輸入響應(yīng)和載體擾動(dòng)響應(yīng)

圖8為加入DOB和二自由度控制器后階躍輸入響應(yīng)對(duì)比。因二自由度控制器為針對(duì)載體擾動(dòng)設(shè)計(jì)，對(duì)輸入響應(yīng)不影響。從圖中可以看出相比原系統(tǒng)，新設(shè)計(jì)的控制器在快速性方面有所提高。

圖9為加入DOB和二自由度控制器后載體擾動(dòng)響應(yīng)對(duì)比，從圖中可以看出相比原系統(tǒng)，新設(shè)計(jì)的控制器穩(wěn)定精度量值為原系統(tǒng)的42.8%，穩(wěn)定精度大幅提高。

圖8 加入DOB和二自由度控制器后階躍輸入響應(yīng)對(duì)比

圖9 加入DOB和二自由度控制器后載體擾動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

3.4 實(shí)測(cè)的系統(tǒng)響應(yīng)

圖10為某實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用前文設(shè)計(jì)的新型控制器后在搖擺試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，從圖中可以看出相較于傳統(tǒng)的控制器，新設(shè)計(jì)的控制器穩(wěn)定精度有大幅度提高。

圖10 實(shí)測(cè)的系統(tǒng)響應(yīng)

4 結(jié)論

本文提出了一種基于二自由度控制算法和摩擦DOB觀測(cè)器的炮控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法?；谠撍惴梢缘玫巾憫?yīng)快、誤差小的指令跟隨特性和更高的載體擾動(dòng)隔離能力。本文給出的摩擦DOB觀測(cè)器和二自由度控制算法為實(shí)際應(yīng)用提供了參考，并易于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都驗(yàn)證了該方法的有效性。

［1］馬曉軍，袁東，臧克茂，等.數(shù)字全電式坦克炮控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.兵工學(xué)報(bào)，2012，31（1）：69-75.

［2］GOREZ R.New design relations for 2-DOF PID-like control system［J］.Automatica，2003，39（6）：901-908.

［3］MASANORI Y，TAKASHI S.A two degrees of freedom PID control system，its features and applications［C］//Proc of 5th Asian Control Conf.Melbourne，2004：456-459.

［4］胡明慧，邵惠鶴.基于靈敏度函數(shù)的二自由度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41（11）：1792-1795.

［5］LIAW C M.Design of a two-degree-of-freedom controller for motor drives［J］.IEEE Trans on Automatic Control，1992，37（8）：1215-1220.

［6］李嘉全，丁策，孔德杰，等.基于速度信號(hào)的擾動(dòng)觀測(cè)器及在光電穩(wěn)定平臺(tái)的應(yīng)用［J］.光學(xué)精密工程，2011，19（5）：998-1004.

［7］李偉，王立平，關(guān)立文.一種二階系統(tǒng)最優(yōu)Q濾波器DOB設(shè)計(jì)方法研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（6）：1-3.

［8］王福超，田大鵬，王昱棠.基于簡(jiǎn)化干擾觀測(cè)器的光電平臺(tái)穩(wěn)定與評(píng)估［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2015，34（12）：13-17.

Design of the Artillery Stability Control System Based on DOB and Two Degree of Freedom Controller

WANG Hai-wen1，QU Jun-hai2，SUN Han-qing2，PANG Ji-wen2
（1.Automation Department of Taiyuan University of Science&Technology，Taiyuan 030024，China；
2.North Automatic Contorl Technology Institute，Taiyuan 030006，China）

The artillery stability control system performance can be influenced by the external disturbance such as the road condition，the impact moment caused by the gun firing，the change of the friction torque，the measurement noise，the change of the moment of intertia and so on.Order to solve this problem，a DOB observer and two degree of freedom control algorithm is introduced to reduce the influenc of friction on the performance of the system，and to improve the ability of the system to isolate the disturbance of the carrier.Simulation and experimental results show that the proposed algorithm can effectively improve the stability accuracy and speed servo performance of the system.

artillery stability control system，disturbance observer，two degree of freedom，stability accuracy

TP273；TJ3

A

1002-0640（2016）12-0117-04

2015-11-05

2015-12-27

王海穩(wěn)（1977-），女，河北邢臺(tái)人，碩士研究生。研究方向：智能控制，二自由度控制。