基于調(diào)平回路的LESO抗干擾方法研究

劉 越洪 娟王 汀閆 祿(北京航天控制儀器研究所北京100039)

基于調(diào)平回路的LESO抗干擾方法研究

劉 越，洪 娟，王 汀，閆 祿
(北京航天控制儀器研究所，北京100039)

針對平臺臺體轉(zhuǎn)位過程中方位角速度對水平通道調(diào)平回路的干擾問題，提出了慣導(dǎo)平臺調(diào)平回路抗干擾方法。將線性擴張狀態(tài)觀測器(LESO)應(yīng)用于調(diào)平回路中，對干擾進行估計并實時補償。基于調(diào)平回路模型，對LESO進行設(shè)計及仿真分析。仿真結(jié)果表明，LESO能準確估計干擾且動態(tài)補償效果好，較原系統(tǒng)具有更強的抑制干擾能力。

調(diào)平回路；抗干擾；LESO；PID

0 引言

以慣性平臺建立的坐標系是導(dǎo)彈武器的基準坐標系，在導(dǎo)彈發(fā)射前需要進行初始對準，將平臺坐標系與發(fā)射坐標系對準。初始對準的精度在很大程度上影響導(dǎo)彈系統(tǒng)的導(dǎo)航制導(dǎo)精度及落點偏差，因此對其提出較高的要求［1］。

目前工程中使用的調(diào)平回路多采用PID控制，該方法對干擾抑制能力較差，具有一定的局限性。為了能夠有效減小外界干擾對調(diào)平精度的影響，對調(diào)平回路的研究主要集中在控制方法方面，如自抗擾控制(ADRC)、H∞控制等［2?3］。本文針對平臺臺體轉(zhuǎn)位過程，方位角速度對調(diào)平回路的干擾，提出了利用線性擴張狀態(tài)觀測器(LESO)對調(diào)平回路擾動進行估計并補償，同時利用仿真模型對擾動的估計及補償效果進行了仿真驗證。

1 調(diào)平回路原理

調(diào)平回路工作原理如圖1所示，以平臺坐標系Z軸的調(diào)平回路為例，當(dāng)平臺坐標系繞Z軸相對水平面有一個轉(zhuǎn)角θz，X方向的石英表加速度計敏感到重力分量－gθz而產(chǎn)生的角度信號。調(diào)平回路采用低通濾波算法濾除石英加速度計的輸出噪聲后，經(jīng)過校正網(wǎng)絡(luò)控制輸出，再經(jīng)加矩電路得到加矩電流施加給陀螺儀力矩器，陀螺儀產(chǎn)生的控制信號經(jīng)過穩(wěn)定回路作用驅(qū)動平臺繞Z軸轉(zhuǎn)動，直至消除繞Z軸的轉(zhuǎn)角，使平臺X軸回到當(dāng)?shù)厮矫嫖恢谩?/p>

2 調(diào)平回路擴張狀態(tài)觀測器設(shè)計

2.1 平臺初始對準誤差方程

平臺誤差方程體現(xiàn)了平臺坐標系與基準坐標系之間的失調(diào)關(guān)系，是研究初始對準的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)［4］。平臺誤差方程和加速度計的誤差方程共同構(gòu)成了初始對準系統(tǒng)的誤差方程，如式(1)所示。

其中，φi(i＝x，y，z)為平臺坐標系相對地理坐標系漂移的失調(diào)角；ηij(i＝x，y，z；j＝x，y，z)為i陀螺儀繞j軸的安裝誤差角；D(i)(i＝x，y，z)為陀螺漂移；ui(i＝x，y，z)為指令平臺加矩速率；ΩA為地速天向投影，ΩN為地速北向投影；f(i)(i＝x，z)為加速度計輸出；Δ(i)(i＝x，z)為加速度計的零位偏差；g為地球重力加速度；?為臺體軸與東向夾角。

2.2 擴張狀態(tài)觀測器

自抗擾控制的核心在于采用了擴張狀態(tài)觀測器(ESO)，實現(xiàn)對被控對象廣義擾動的實時精確估計，并將得到的廣義擾動的估計應(yīng)用到補償控制中去，使閉環(huán)動態(tài)系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。因此，ESO的估計效果是影響自抗擾控制器控制性能的核心因素［5］。原始ESO采用非線性誤差反饋機制設(shè)計，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實施困難［6］；此外采用線性誤差反饋設(shè)計ESO，仍能取得較好的估計效果，在工程中更為實用［7］。本文將采用線性誤差反饋機制，針對平臺調(diào)平回路實際對象，進行LESO的設(shè)計。

給出一個2階非線性系統(tǒng)，非線性函數(shù)f(x1，x2，t)未知：

引入線性反饋，建立如式(3)所示的LESO：

f(x1，x2，t)為系統(tǒng)的總擾動，β01、β02和β03為所選取的適當(dāng)參數(shù)，b＾為控制輸入增益b的估計值。z1和z2分別是系統(tǒng)輸出y及其導(dǎo)數(shù)的估計，z3為系統(tǒng)總擾動f(x1，x2，t)的實時估計。若選取控制量u為：

將式(4)帶入式(2)中，由于z3為f(x1，x2，t)的精確估計，最終系統(tǒng)(式(2))通過采用式(4)中的控制率，可化為積分串聯(lián)型，實現(xiàn)了擾動補償，便于實際控制實施且保證控制效果。

2.3 調(diào)平回路LESO的設(shè)計

調(diào)平回路仿真模型如圖2所示。取原被控對象的輸入和輸出作為LESO的輸入量，線性擴張觀測器的狀態(tài)變量z2為待估計的擾動信號。已有調(diào)平回路控制器為PID控制器。

以平臺系統(tǒng)X軸調(diào)平回路為例，依據(jù)式(1)和式(3)，令調(diào)平回路總擾動f(x1，x2，t)為D（x）－uyηxz＋uzηxy＋φzΩA＋φzΩNcos?，則可設(shè)計2階的LESO如下：

針對具體工程實際，將選取適當(dāng)LESO增益β01和β02，完成LESO的設(shè)計。根據(jù)參數(shù)選擇原則和大量仿真，系統(tǒng)帶寬的適應(yīng)范圍很寬，易調(diào)整出合適的數(shù)值。為保證一定的估計精度，取較大的回路增益［7］，本文中該系數(shù)設(shè)計為β01＝50，β02＝1500。

3 仿真驗證

平臺臺體轉(zhuǎn)位時，方位角速度會對調(diào)平回路產(chǎn)生一定干擾且為常值，為了驗證加入LESO的調(diào)平回路對方位角速度干擾的抑制效果，本文用階躍信號模擬該項調(diào)平回路干擾，進行驗證。令調(diào)平回路干擾為幅值0.01(°)／s階躍信號，圖3為干擾曲線及LESO估計的曲線。從圖3中看出，辨識曲線在0.1s后無超調(diào)地跟蹤上干擾信號，跟蹤效果好。

當(dāng)調(diào)平回路存在上述擾動時，考察本文中提出的LESO估計補償方法對調(diào)平回路的性能影響。加入幅值為0.01(°)／s延時5s的階躍干擾，圖4為PID控制與加入LESO的PID控制調(diào)平回路響應(yīng)(臺體偏角)曲線對比圖，可以看出加入干擾前，調(diào)平回路響應(yīng)均穩(wěn)定；加入干擾后，PID控制調(diào)平回路的臺體偏角超調(diào)量為0.026°，調(diào)節(jié)時間為23s；采用PID加LESO補償機制，臺體偏角超調(diào)量為0.0004°，調(diào)節(jié)時間為13s。

仿真結(jié)果表明：采用LESO補償機制，系統(tǒng)擾動波動量為不采用LESO機制的1／65，且調(diào)節(jié)時間減少10s，干擾響應(yīng)快速且平穩(wěn)。

4 結(jié)論

為降低平臺臺體轉(zhuǎn)位過程中方位角速度對水平通道的精度影響，本文提出了基于調(diào)平回路的LESO抗干擾的方法，并對提出的方法進行了仿真實驗驗證。結(jié)果表明，LESO可以有效地估計出干擾信號，用于補償時精度高、響應(yīng)快、效果較好，加入LESO的調(diào)平回路抑制方位角速度擾動作用明顯，可大大提高調(diào)平回路的抗擾能力和精度。

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Research on Disturbance Rejection Method of LESO Based on the Platform Level Loop

LIU Yue，HONG Juan，WANG Ting，YAN Lu
(Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039)

In this paper，the anti interference method for platform level loop is proposed，aiming at disturbances of platform level loop brought in by azimuth angular velocity when the platform rotated.LESO was applied to estimated and compensated disturbances in real time in level loop.The paper designed LESO based on the platform level loop model and simulate.The simulation results show that LESO can accurately estimate the disturbance and the dynamic compensation is effective Compared with the original system，platform level loop enhance the ability of restraining interference.

platform level loop;disturbance rejection;LESO;PID

U<666.1 文獻標志碼：A class="emphasis_bold">666.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674?5558(2017)02?01311666.1 文獻標志碼：A

1674?5558(2017)02?01311

A 文章編號：1674?5558(2017)02?01311

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.02.014

劉越，女，碩士，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)，研究方向為平臺系統(tǒng)設(shè)計。

2016?08?19