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        無人船載設(shè)備雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺速度前饋控制方法研究

        2021-09-10 07:19:20俞華熊天武
        機(jī)電工程技術(shù) 2021年2期

        俞華 熊天武

        關(guān)鍵詞:無人船;雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺;縱橫搖;速度前饋

        0引言

        艦船由于風(fēng)浪作用會出現(xiàn)搖擺,引起船載設(shè)備如雷達(dá)天線的軸線晃動(dòng),影響對目標(biāo)的掃描及測量。為了減小或消除船體搖擺對設(shè)備的影響,保證船載設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行,常見的方法是采用機(jī)械穩(wěn)定方式,驅(qū)動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定平臺反向搖擺克服船體縱搖及橫搖影響,提供一個(gè)近似水平的工作平臺,從而隔離船體搖擺擾動(dòng)對船載設(shè)備的影響。機(jī)械雙軸穩(wěn)定平臺能夠及時(shí)有效地隔離船體縱搖橫的影響,通過實(shí)時(shí)測量平臺位置信息調(diào)整姿態(tài),保證平臺空問穩(wěn)定,為雷達(dá)等艦載設(shè)備提供穩(wěn)定的工作平臺,應(yīng)用廣泛。無人船由于體積小,船體搖擺更加劇烈,變化迅速,基于常規(guī)的PID控制算法的雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺不能滿足其快速變化動(dòng)態(tài)性能和控制精度要求。本文基于雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺工作原理設(shè)計(jì)前饋-PID控制算法,在PID控制算法的基礎(chǔ)上,引入速度前饋,通過姿態(tài)測量模塊實(shí)時(shí)測量船體搖擺角度及角度變化速度,進(jìn)行算法運(yùn)算后驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作,提高穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)定平臺控制精度,保證無人船載設(shè)備穩(wěn)定工作。

        1雙軸穩(wěn)定平臺工作原理

        雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺主要由穩(wěn)定平臺(機(jī)械結(jié)構(gòu))、測量模塊(姿態(tài)測量傳感器)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(縱橫搖力矩電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器)及控制系統(tǒng)等幾個(gè)主要部分組成。當(dāng)船體發(fā)生搖擺,產(chǎn)生姿態(tài)角度變化時(shí),姿態(tài)測量傳感器實(shí)時(shí)測量船體縱搖及橫搖角度,驅(qū)動(dòng)縱搖電機(jī)及橫搖電機(jī)反向動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)水平方向穩(wěn)定。穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)上采用外軸橫搖,內(nèi)軸縱搖的安裝方式,姿態(tài)測量傳感器安裝在平臺底座上,實(shí)時(shí)測量船體姿態(tài)并將姿態(tài)信息送到控制單元進(jìn)行控制運(yùn)算。雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺組成框圖如圖1所示。

        2雙軸穩(wěn)定平臺控制策略

        2.1穩(wěn)定平臺解耦控制

        雙軸穩(wěn)定平臺控制策略采用解耦控制,根據(jù)實(shí)時(shí)測量的船體搖擺角度對穩(wěn)定平臺的縱搖模塊和橫搖模塊分別進(jìn)行控制。在實(shí)際工作環(huán)境下,船體縱搖及橫搖對穩(wěn)定平臺的影響是相互耦合的,但在縱搖角或橫搖角逐漸向平穩(wěn)狀態(tài)(搖擺角度趨向于0)過度的過程中,其相互之間的耦合關(guān)系減弱,當(dāng)其中某一個(gè)姿態(tài)(縱搖或橫搖角度)達(dá)到平穩(wěn)時(shí),其耦合關(guān)系消除,因此,在對穩(wěn)定平臺進(jìn)行控制算法研究時(shí),可以忽略相互之間的耦合關(guān)系,對兩軸分別進(jìn)行控制,其穩(wěn)定平臺控制框圖如圖2所示??v搖及橫搖控制均采用三環(huán)控制策略,包括電流環(huán)、速度環(huán)以及位置環(huán)3個(gè)組成部分。電流環(huán)及速度環(huán)集成在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊中,可以有效抑制伺服電機(jī)的非線性影響;位置環(huán)由控制模塊實(shí)現(xiàn),包括姿態(tài)測量模塊、編碼器及控制板,進(jìn)行穩(wěn)定平臺姿態(tài)的檢測、運(yùn)算與控制,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺平穩(wěn)運(yùn)行。

        2.2 PID-前饋控制

        PID控制算法是將比例、積分、微分幾個(gè)部分經(jīng)過組合構(gòu)成被控對象的控制變量,其結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、且不需要被控對象的精確模型,因此被廣泛應(yīng)用。但由于無人船體積小、搖擺幅度大、且搖擺頻率高,常規(guī)PID控制是基于偏差量的反饋控制,其本質(zhì)決定了調(diào)節(jié)作用總是落后于干擾變化量,對于外界快速變化的干擾量調(diào)節(jié)能力較弱,不能滿足快速搖擺下的動(dòng)態(tài)特性與精度要求,因此考慮加入速度前饋。前饋控制的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)觀測或者測量干擾作用的大小,并根據(jù)測量到的干擾量對被控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)和控制,能夠及時(shí)補(bǔ)償擾動(dòng)對被控對象造成的影響。前饋控制要求干擾量是可測的,雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺的干擾量完全來自于船體搖擺,且搖擺變化量是實(shí)時(shí)可測的,因此可以基于姿態(tài)測量模塊實(shí)時(shí)檢測縱橫搖擾動(dòng)變化量,建立前饋控制器補(bǔ)償船體快速晃動(dòng)帶來的影響,提高平臺控制精度,保證船載設(shè)備穩(wěn)定高效的工作。

        3仿真實(shí)驗(yàn)和分析

        實(shí)際工作過程中,橫搖擺動(dòng)幅度大,對船體姿態(tài)影響劇烈,精度控制難度相對較大,縱搖相對影響較小,搖擺幅度小,因此在控制策略研究以及算法設(shè)計(jì)時(shí)主要針對穩(wěn)定平臺橫搖控制進(jìn)行建模仿真及參數(shù)整定,縱搖采用與橫搖一樣的控制策略,控制器參數(shù)根據(jù)實(shí)際所選電機(jī)及減速器進(jìn)行整定。雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺包含永磁同步電機(jī)(PMSM)、驅(qū)動(dòng)器、減速器等非線性模塊,是典型的高階非線性系統(tǒng),為了降低難度,簡化控制器設(shè)計(jì)流程,對被控對象模型進(jìn)行降階和線性化處理,簡化為典型的二階慣性環(huán)節(jié)。

        基于MATLAB/simulink工具進(jìn)行仿真建模,設(shè)計(jì)傳統(tǒng)PID與前饋-PID控制算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,仿真模型如圖3所示,仿真結(jié)果分別如圖4~5所示。仿真模型輸入信號為模擬船體橫搖周期性運(yùn)動(dòng)的正弦信號,幅值15°,周期為2s。

        由圖4~5正弦跟蹤控制誤差曲線及表1性能參數(shù)分析結(jié)果可知,前饋-PID控制算法能夠有效地根據(jù)測量的穩(wěn)定平臺干擾量(船體搖擺角度及角速度)對平臺姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié),補(bǔ)償船體縱橫搖的影響,顯著提高控制精度,保持穩(wěn)定平臺水平穩(wěn)定,相對于傳統(tǒng)的PID控制算法具有更優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能以及更高的控制精度。

        4結(jié)束語

        本文研究了基于雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺的PID-前饋控制算法,并基于穩(wěn)定平臺的近似線性化的降階數(shù)學(xué)模型建立MATLAB/simulink仿真模型對設(shè)計(jì)的PID-前饋控制算法進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,相對于傳統(tǒng)PID控制算法,前饋-PID控制算法具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和更高的跟蹤控制精度,能夠有效補(bǔ)償船體搖擺對穩(wěn)定平臺帶來的影響,為工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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