擾動觀測器在慣導平臺穩定回路中的應用方法

王琛琛, 王新龍, 黃 海

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擾動觀測器在慣導平臺穩定回路中的應用方法

王琛琛1, 王新龍1, 黃 海2

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

慣性技術的發展對慣導平臺穩定回路穩定性、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定回路性能的進一步提高產生了嚴重影響。為了有效克服這些干擾力矩對穩定回路性能的影響, 在傳統比例微分積分(PID)方法對穩定回路進行控制的基礎上, 提出了一種利用擾動觀測器來抑制干擾力矩以提高穩定回路性能的方法。通過利用回路中力矩電流和角速度信息構成擾動觀測器, 對作用于平臺系統的干擾力矩進行抑制。仿真結果表明, 擾動觀測器的引入沒有影響原有PID控制穩定回路的動態性能, 且能夠對干擾進行有效的抑制, 提高了穩定回路的穩定精度和抗干擾性。

擾動觀測器; 傳統比例微分積分控制; 慣性平臺; 穩定回路

0 引言

目前, 平臺式慣導系統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中得到了廣泛的應用。

穩定回路作為平臺式慣導的關鍵環節, 回路的穩定性、快速性及抗干擾性等因素直接影響著慣導系統的導航性能。目前, 穩定回路應用較多的是傳統比例積分微分(proportion-integration- differentiation, PID)控制, 雖然該方法實現起來簡單, 但基于此方法的穩定回路穩定精度不高、抗干擾性不強。國內外學者對此進行了大量的研究, 提出的方法主要有: 變結構控制[1]、模糊PID控制[2]、自抗擾控制[3]、低速自適應PID控制[4]、基于神經網絡的PID控制[5]及∞魯棒控制[6]等。和傳統的PID控制相比, 這些方法在系統穩定性、抗干擾性雖都有所改進, 但是實現起來比較復雜。

基于此, 本文在利用傳統PID方法對穩定回路控制的基礎上, 設計了一種基于擾動觀測器抑制擾動的方法。該方法可以實時預測系統的干擾并對其補償, 減小了各種干擾及參數變化對系統穩定精度的影響, 且結構簡單、計算量小。

1 慣導平臺穩定回路的組成

1.1 慣導平臺穩定回路的組成

通常, 穩定回路由機械平臺、三環框架、安裝在平臺上的陀螺儀、力矩電機、坐標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為力矩電機產生的力矩。

圖1 穩定回路結構原理框圖

機械平臺是安裝陀螺儀和加速度計的載體, 三環框架為其提供3個方向的轉動自由度。陀螺儀是角速度敏感元件, 當有干擾力矩M作用在臺體框架軸上時, 它會敏感該軸的轉動角速度, 輸出幅度與此角速度成比例的正弦信號。該正弦信號經前置放大環節, 傳輸給控制電路板, 在控制電路板上進行選頻放大、帶通濾波、全波相敏解調、低通濾波、校正、直流放大及脈沖寬度調制(pulse width modulation, PWM), 再經橋式功率放大后驅動力矩電機, 產生力矩M, 以抵消作用在臺體框架上的干擾力矩。其中, 三環框架有3條穩定回路: 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成外界擾動, 按單通道設計穩定回路[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定回路進行設計分析。

1.2 穩定回路的控制結構

對于平臺式慣導的穩定回路, 一般來說, 除了校正網絡、直流力矩電機和陀螺儀外, 其他環節都可看成比例環節[8], 采用“電流環、速度環、位置環”控制, 其控制框圖如圖2所示。

即穩定回路的力矩剛度為

2 基于擾動觀測器的回路控制

2.1 擾動觀測器的設計

作用于穩定平臺系統的摩擦力矩、結構質心靜不平衡力矩、風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行補償。

圖3 擾動觀測器的基本結構

圖4 擾動觀測器的結構圖

由圖4可得

根據式(7)將擾動觀測器設計為

則有

由此, 可得改進后的擾動觀測器如圖5所示。

2.2 擾動觀測器在穩定回路中的實現

當有擾動力矩作用在臺體軸時, 力矩電機會有電流產生, 陀螺儀會有角速度輸出, 產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電機力矩系數的逆變換前饋到穩定回路中, 回路中力矩電機產生與干擾力矩大小相當、方向相反的抵抗力矩, 從而實現了對干擾的有效抑制。

圖6 帶有擾動觀器的穩定回路控制結構圖

3 仿真驗證與分析

根據穩定回路的設計指標利用MATLAB/ Simulink軟件先后將電流環、速度環、位置環控制器設計成如下形式

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

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

圖7 未引入擾動觀測器系統頻率響應特性

圖8 引入擾動觀測器系統頻率響應特性

圖9 方波干擾下未引入觀測器系統輸出角

圖10 方波干擾下引入觀測器系統輸出角

圖11 隨機干擾下未引入觀測器系統輸出角

圖12 隨機干擾下引入觀測器系統輸出角

仿真結果表明, 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行抑制, 從而有效提高了平臺式慣導系統穩定回路的抗干擾性和精確性。

4 結論

針對傳統PID控制的穩定回路抗擾性不強,穩定精度不高的問題, 本文提出了一種在傳統PID的基礎上引用擾動觀測器對穩定回路擾動進行補償的方法, 進一步通過仿真驗證, 可以得到如下結論。

1) 利用擾動觀測器對慣導平臺穩定回路的干擾進行補償, 不需要對干擾信號進行精確建模, 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, 且觀測器結構簡單, 便于實現。

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

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

由此可見, 將擾動觀測器應用在傳統PID控制的穩定回路中是一種提高穩定回路性能的簡單、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, 研究方向為導航制導與控制技術.

(責任編輯: 楊力軍)