孫立志（海鷹航空通用裝備有限責任公司）

光電吊艙相當于無人機的“眼睛”，為了保證“視線”的平穩(wěn)，設計了雙速度環(huán)控制結構，并采用自抗擾控制（ADRC）方法.經(jīng)仿真驗證，該技術能夠使光電吊艙視軸穩(wěn)定精度得到提高。

光電吊艙是一種可以有效隔離載機擾動，保持光電載荷視軸穩(wěn)定的裝置，其裝備于各型無人機上，主要功能是獲取載體外特定目標的穩(wěn)定圖像。

在光電吊艙系統(tǒng)中，視軸穩(wěn)定技術十分重要。視軸穩(wěn)定與否在于對平臺所受各類擾動的抑制是否有效，提高平臺對擾動的抑制能力，即可提高視軸的穩(wěn)定精度。本文從兩軸兩框架光電吊艙入手，設計基于“主動抗擾”的控制算法，將自抗擾控制技術應用于光電吊艙控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的外部擾動進行總體觀測和抑制，從而可靠地提高平臺的視軸穩(wěn)定能力。

在光電吊艙控制系統(tǒng)中，速率穩(wěn)定回路是實現(xiàn)視軸穩(wěn)定功能的重要回路，對該回路的設計十分重要。由于單速度環(huán)的設計難以滿足功能要求，對速度調(diào)節(jié)器的性能要求也較高，因此，本文設計雙速度環(huán)串級結構，將不同類別的擾動進行隔離，分別設計控制器進行消除，避免各種擾動因素的互相影響。

兩款某型無人機的光電吊艙。

兩軸兩框架光電吊艙的結構

無人機的機械接口與光電吊艙的方位軸結合，軸上裝有同軸連接的方位驅(qū)動電機和方位測角旋變；方位軸下方吊掛光電吊艙的方位框架，方位框架內(nèi)裝有俯仰框架；在俯仰框架上，為了平衡平臺質(zhì)量，俯仰測角旋變和俯仰驅(qū)動電機分裝于俯仰軸的兩端，其定子固定于方位框架兩側；在俯仰框架內(nèi)部固定著可見光成像系統(tǒng)和紅外夜視成像系統(tǒng)。

自抗擾穩(wěn)定控制器

自抗擾控制器是以經(jīng)典PID控制器的思想為基礎，結合現(xiàn)代控制理論而提出的一種觀測和補償相結合的非線性控制器。以應用于無人機光電吊艙控制系統(tǒng)的二階自抗擾穩(wěn)定控制器為例，其模型可以分為跟蹤微分器（TD）、擴張狀態(tài)觀測器（ESO）和狀態(tài)誤差反饋控制律（SEF）三部分。

擴張狀態(tài)觀測器是自抗擾控制器的核心部分，利用擴張狀態(tài)觀測器能夠?qū)⑾到y(tǒng)的內(nèi)部擾動和外部擾動進行實時觀測，再經(jīng)過跟蹤微分器對系統(tǒng)相關信號進行合理提取，通過非線性反饋控制得到系統(tǒng)的控制量，實現(xiàn)良好的控制性能。在該控制過程中，自抗擾控制器并不依賴被控對象，即不依賴于光電吊艙系統(tǒng)的精確模型。此外，擴張狀態(tài)觀測器的引入可以將不同擾動成分不加區(qū)分地進行觀測，能夠更有效地解決無人機平臺中各類擾動因素復雜多樣的問題，規(guī)避了光電吊艙系統(tǒng)的不確定性等問題，能夠達到無人機光電吊艙所要求的抗擾性能指標。

（左）兩軸兩框架光電吊艙結構簡圖。

(右)二階自抗擾控制器原理圖。

光電吊艙雙速度環(huán)控制結構

（上） 雙速度環(huán)控制系統(tǒng)的結構框圖。

(下)雙速度環(huán)控制系統(tǒng)Simulink仿真模型。

從控制結構上分析，單速度環(huán)控制結構存在無法協(xié)調(diào)抑制不同種類擾動和低速穩(wěn)定性差的缺點。本文在合理分析速度環(huán)的基礎上，設計基于陀螺反饋信號的穩(wěn)定環(huán)，形成雙速度環(huán)的串級結構，實現(xiàn)合理抑制速率擾動和力矩擾動的控制結構。從控制策略上，由于系統(tǒng)各部分模型的非線性，系統(tǒng)的精確模型難以建立，通常依靠模型精確參數(shù)的控制方法較難達到理想的控制效果，因此，本文引入自抗擾控制器，將控制系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的擾動不加區(qū)分，直接觀測并合理提取，從而將系統(tǒng)模型不精確的影響降至最低。采用雙速度環(huán)結構后，控制系統(tǒng)的結構框圖有所變化。

光電吊艙中，速度環(huán)和穩(wěn)定環(huán)在系統(tǒng)的擾動抑制過程中起著關鍵作用，本文將自抗擾控制器應用于穩(wěn)定環(huán)，同時對比傳統(tǒng)的PI控制器，驗證該控制結構對視軸穩(wěn)定精度提高的有效性。

光電吊艙控制系統(tǒng)仿真模型

本文利用MATLAB/Simulink仿真軟件對光電吊艙控制系統(tǒng)中的自抗擾控制算法進行仿真，并分析控制策略的可行性，得出合理的控制參數(shù)。根據(jù)光電吊艙控制系統(tǒng)模型，搭建某一框吊艙伺服系統(tǒng)的Simulink仿真模型。在該模型中，電流環(huán)、速度環(huán)和穩(wěn)定環(huán)構成三閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中速度環(huán)和穩(wěn)定環(huán)構成串級控制結構，穩(wěn)定控制器采用上文設計的自抗擾穩(wěn)定控制器。為了與單速度環(huán)控制系統(tǒng)進行對比分析，同時搭建由電流環(huán)和穩(wěn)定環(huán)構成的單速度環(huán)閉環(huán)控制結構的Simulink仿真模型。

在雙速度環(huán)控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型中，穩(wěn)定環(huán)控制器是基于自抗擾控制器設計的，其中的跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器和狀態(tài)誤差反饋控制律采用S-函數(shù)編寫，作為對比，PI穩(wěn)定控制器的參數(shù)按“二階最佳”原則進行整定。

光電吊艙控制系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)視軸穩(wěn)定的機理，在實際運行中需設定光電吊艙各軸的角速度給定值為0。實際中擾動因素成分復雜，為分別驗證控制系統(tǒng)對復雜擾動成分的抑制能力，首先設定系統(tǒng)的擾動為一定頻率的正弦力矩擾動。根據(jù)工程實際中的擾動成分，設置該正弦力矩擾動頻率為5Hz、幅值為10%伺服電機額定轉(zhuǎn)矩。仿真中觀察吊艙某軸的角速度波形，對兩種控制系統(tǒng)的控制效果進行對比分析，通過對波形的定性分析，對系統(tǒng)的擾動隔離度進行評價。

自抗擾穩(wěn)定控制器Simulink仿真模型。

由仿真波形可知，在正弦力矩擾動的作用下，兩種控制系統(tǒng)均可將力矩擾動隔離，實現(xiàn)速率穩(wěn)定。雙速度環(huán)控制系統(tǒng)的控制效果波形，與單速度環(huán)控制系統(tǒng)相比，前者的擾動隔離度更高，視軸穩(wěn)定效果更好。

（上）針對力矩擾動的控制系統(tǒng)仿真波形。

（中） 針對速率擾動的控制系統(tǒng)仿真波形。

（下）突加力矩擾動仿真波形。

再設定系統(tǒng)的擾動為一定頻率的正弦速率擾動。參考工程實際，設置該正弦速率擾動頻率為2.5Hz、幅值為20°/s。仿真中亦觀察吊艙某軸的角速度波形，對兩種控制系統(tǒng)的控制效果進行對比分析。

由仿真波形可知，在正弦速率擾動的作用下，兩種控制系統(tǒng)均可將速率擾動隔離。對比波形可知，雙速度環(huán)控制系統(tǒng)的擾動隔離度更高，視軸穩(wěn)定效果較好，經(jīng)計算其擾動隔離度在1%以內(nèi)，而后者的動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，擾動隔離度大于5%，擾動隔離度較低。

光電吊艙系統(tǒng)中擾動的成分復雜，擾動作用的形式多樣，其中包括穩(wěn)定運行時突加擾動的情況。為驗證控制系統(tǒng)對突加擾動的響應速度和抑制能力，在仿真中設定擾動為幅值為25%伺服電機額定轉(zhuǎn)矩的階躍力矩擾動，觀察吊艙的角速度波形，驗證兩種控制系統(tǒng)對突加力矩擾動的抑制效果，包括擾動抑制的快速性和平穩(wěn)性。

由仿真波形可知，在0.20s突加力矩擾動時，雙速度環(huán)速度控制系統(tǒng)在0.02s的時間內(nèi)實現(xiàn)擾動抑制，且調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)，最大轉(zhuǎn)速波動在1.1°/s內(nèi)。對比單速度環(huán)速度控制系統(tǒng)，有明顯的調(diào)節(jié)過程，且調(diào)節(jié)過程中轉(zhuǎn)速波動已達1.8°/s，波動較大。

本文分析設計的雙速度環(huán)控制系統(tǒng)的目的是針對速率擾動和力矩擾動的特性，分別對其進行抑制。為了驗證速度環(huán)對力矩擾動具有隔離效果，將速率擾動和力矩擾動同時加入控制系統(tǒng)，觀察吊艙的角速度波形。

對比突加力矩仿真波形可知，雙速度環(huán)控制系統(tǒng)能夠在有力矩擾動和速率擾動共同作用時實現(xiàn)平臺視軸的穩(wěn)定，而單速度環(huán)控制系統(tǒng)在運行過程中會有明顯的角速度波動，進而影響視軸的穩(wěn)定精度。

速度控制器不僅需要滿足抗擾的要求，而且能夠快速跟蹤給定且超調(diào)盡量小，使控制系統(tǒng)具有快速響應能力。為驗證雙速度環(huán)控制系統(tǒng)和自抗擾穩(wěn)定控制器的響應能力，在仿真中設置穩(wěn)定環(huán)控制器給定為階躍角速度信號，觀察吊艙某軸的角速度對給定的跟蹤情況。

（左）同時加入速率和矩擾動仿真波形。

（右）穩(wěn)定環(huán)階躍響應仿真波形。

從仿真結果看出，在給定幅值為18°/s的階躍角速度時，雙速度環(huán)速度控制系統(tǒng)的響應效果較好，在80ms的時間內(nèi)即達到給定轉(zhuǎn)速，計算得伺服電機的平均角加速度達到225°/s2，滿足系統(tǒng)對穩(wěn)定回路快速性的要求。

以上仿真結果表明，雙速度環(huán)速度控制系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)對力矩擾動和速率擾動的隔離，穩(wěn)定吊艙的視軸，驗證了控制系統(tǒng)結構和參數(shù)的合理性，且穩(wěn)定效果較傳統(tǒng)的單速度環(huán)速度控制系統(tǒng)有較大的優(yōu)勢。

結束語

本文以無人機光電吊艙控制系統(tǒng)為研究對象，從控制系統(tǒng)結構和控制方法兩方面進行了分析，提出了雙速度環(huán)的控制結構，并針對系統(tǒng)中擾動的特性和作用方式引入了自抗擾穩(wěn)定控制器，通過仿真和試驗驗證，實現(xiàn)了提高無人機光電吊艙視軸穩(wěn)定精度的目的，對無人機偵察能力的增強具有積極有效的作用。 ■