趙瑞 劉丙友 王力超

摘 要：提出一種基于改進(jìn)型擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的滑?？刂撇呗?結(jié)合滑模控制理論，用最優(yōu)控制函數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)非線性函數(shù)，用卡爾曼濾波器對(duì)系統(tǒng)噪聲進(jìn)行處理，對(duì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行改進(jìn)，更好地對(duì)振鏡系統(tǒng)的總擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)和補(bǔ)償.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略有效提高了振鏡系統(tǒng)的跟蹤性能，具有較好的抗干擾能力和噪聲抑制能力.

關(guān)鍵詞：振鏡系統(tǒng);擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器;卡爾曼濾波器;滑?？刂?/p>

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP273 ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

振鏡系統(tǒng)作為一種光學(xué)掃描系統(tǒng)，因具有高響應(yīng)、高精度等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于激光掃描、成像、加工等領(lǐng)域.[1]隨著高速相機(jī)等硬件技術(shù)的完善，人們逐漸對(duì)肉眼難以察覺(jué)的近距離高速移動(dòng)目標(biāo)產(chǎn)生了高度關(guān)注.Kohei Okumura等人于2010年成功搭建了第一個(gè)毫秒級(jí)的高速視覺(jué)控制器，采用二維振鏡光學(xué)原理，代替了傳統(tǒng)云臺(tái)進(jìn)行高速目標(biāo)跟蹤.[2]振鏡的位置角控制極易受到外部干擾以及噪聲的影響，將高性能的控制算法引入振鏡伺服控制系統(tǒng)中變得尤為迫切.

目前，大多數(shù)振鏡系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)，具有一定的控制效果，但是不足以解決振鏡系統(tǒng)的強(qiáng)耦合、非線性等問(wèn)題.針對(duì)這些問(wèn)題，朱照楊等人研究了PID加前饋控制.[3]Qiao等人設(shè)計(jì)了一種內(nèi)模控制的振鏡控制系統(tǒng)，采用電流環(huán)和速度環(huán)的雙環(huán)控制，相比傳統(tǒng)PID控制有更快的響應(yīng)速度和控制精度.[4]岳宗仰針對(duì)振鏡系統(tǒng)的不確定性，提出了一種新的分?jǐn)?shù)階魯棒控制器，提高了系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性能.[5]劉琛提出了一種滑模變結(jié)構(gòu)滑?？刂疲哂幸欢ǖ目垢蓴_能力，削弱了傳統(tǒng)滑?？刂频亩墩瘳F(xiàn)象.[6]Qin等人針對(duì)振鏡系統(tǒng)的高精度、高響應(yīng)等要求，提出了一種基于自抗擾控制的高精度位置控制方案，提高了振鏡系統(tǒng)的位置控制精度.[7]

本文提出一種基于改進(jìn)型擴(kuò)張狀態(tài)的滑?？刂品桨?，在傳統(tǒng)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器[8-10]的基礎(chǔ)上，引入基于趨近律的滑模控制理論[11]，采用卡爾曼濾波器對(duì)系統(tǒng)噪聲進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)改進(jìn)型擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，更好地對(duì)振鏡系統(tǒng)的總擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和補(bǔ)償.

1 振鏡系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

振鏡系統(tǒng)是一種高精度、高響應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：振鏡電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器和位置傳感器.振鏡電機(jī)是振鏡系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是一種擺動(dòng)式電機(jī)，具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于高精度的伺服控制.遵循永磁電機(jī)的工作原理，即電機(jī)軸上的永磁體與內(nèi)部線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生扭矩，使連接于轉(zhuǎn)子上的反射鏡發(fā)生偏轉(zhuǎn).

建立振鏡電機(jī)的數(shù)學(xué)模型方程：

3 仿真分析

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的基于改進(jìn)型擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的滑模控制策略在振鏡系統(tǒng)中的性能，在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真研究，比較基于改進(jìn)型擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的滑?？刂疲ǜ倪M(jìn)型ESO-SMC）策略與傳統(tǒng)基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的滑模控制策略[11]（傳統(tǒng)ESO-SMC）.主要從四方面對(duì)方案的性能進(jìn)行仿真分析：

（1）改進(jìn)型ESO的擾動(dòng)觀測(cè)分析.

（2）振鏡系統(tǒng)的跟蹤性能分析.

（3）加干擾時(shí)振鏡系統(tǒng)的魯棒性分析.

（4）振鏡系統(tǒng)的噪聲抑制能力分析.

為保證兩種方案對(duì)比的準(zhǔn)確性和可靠性，其系統(tǒng)參數(shù)與控制器相關(guān)參數(shù)相同，振鏡電機(jī)及控制器的參數(shù)見(jiàn)表1，改進(jìn)型ESO-SMC參數(shù)見(jiàn)表2.

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.從表3可以看出，改進(jìn)型ESO-SMC在總體性能上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)ESO-SMC控制策略.

4 結(jié)論

本文提出了一種基于改進(jìn)型擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的滑模控制策略，針對(duì)高精度、高響應(yīng)的振鏡系統(tǒng)中存在的未知擾動(dòng)和噪聲進(jìn)行了觀測(cè)和補(bǔ)償，并用Routh-Hurwitz穩(wěn)定性判據(jù)證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了基于改進(jìn)型擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的滑模控制策略對(duì)振鏡系統(tǒng)的跟蹤性能的有效性.

參考文獻(xiàn)

[1]李桂存，方亞毜，紀(jì)榮祎，等.基于二維振鏡與位置靈敏探測(cè)器的高精度激光跟蹤系統(tǒng)[J].中國(guó)激光，2019，46（7）：206-212.

[2]Kohei Okumura，Hiromasa Oku and Masatoshi Ishikawa.High-speed Gaze Controller for Millisecond-order Pan/tilt Camera[J].IEEE International Conference on Robotics and Automation，2011，2011：6186-6191.

[3]王曉初，朱照楊，張國(guó)平.高速振鏡伺服驅(qū)動(dòng)的PID加前饋控制[J].微電機(jī)，2013，46（5）：61-64+69.

[4]Qiao MR，Cao JZ，WangHW，et al.Galvanometer control system design of aerial camera motion compensation[C].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，2015，9678.

[5]岳宗仰.面向激光振鏡系統(tǒng)的分?jǐn)?shù)階建模與控制[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2020.

[6]劉琛.高速掃描振鏡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].太原：中北大學(xué)，2018.

[7]Qin WY，Guo H and Xu JQ，et al.High Precision Position Control based on Active Disturbance Rejection Control for Galvanometer Scanner System[C].2019 22nd International Conference on Electrical Machines and Systems，2019.

[8]周向陽(yáng)，李玲玲，趙立波.基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的穩(wěn)定平臺(tái)非奇異終端滑模控制[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2018，39（5）：161-169.

[9]王軍曉，戎佳藝，俞立.直流降壓變換器的降階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器與滑模控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].控制理論與應(yīng)用，2019，36（9）：1486-1492.

[10]周浩，鄖建平，祁昶.基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的滑?？刂扑惴ㄑ芯縖J].光通信技術(shù)，2021，45（5）：21-25.

[11]孟一博，劉丙友，王力超.基于改進(jìn)型自抗擾控制器的轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)高精度控制研究[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019（2）：11-16.

[12]劉金琨.滑模變結(jié)構(gòu)控制MATLAB仿真基本理論與設(shè)計(jì)方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2019.46-50.

[13]程林中，岳靖，王梅花，等.基于模糊-PID控制的井下溫度控制系統(tǒng)研究[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015（4）：20-22.

編輯：琳莉