無人船載設備雙軸機械穩(wěn)定平臺速度前饋控制方法研究

俞華 熊天武

關鍵詞：無人船;雙軸機械穩(wěn)定平臺;縱橫搖;速度前饋

0引言

艦船由于風浪作用會出現(xiàn)搖擺，引起船載設備如雷達天線的軸線晃動，影響對目標的掃描及測量。為了減小或消除船體搖擺對設備的影響，保證船載設備穩(wěn)定運行，常見的方法是采用機械穩(wěn)定方式，驅動機械穩(wěn)定平臺反向搖擺克服船體縱搖及橫搖影響，提供一個近似水平的工作平臺，從而隔離船體搖擺擾動對船載設備的影響。機械雙軸穩(wěn)定平臺能夠及時有效地隔離船體縱搖橫的影響，通過實時測量平臺位置信息調整姿態(tài)，保證平臺空問穩(wěn)定，為雷達等艦載設備提供穩(wěn)定的工作平臺，應用廣泛。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控制算法的雙軸機械穩(wěn)定平臺不能滿足其快速變化動態(tài)性能和控制精度要求。本文基于雙軸機械穩(wěn)定平臺工作原理設計前饋-PID控制算法，在PID控制算法的基礎上，引入速度前饋，通過姿態(tài)測量模塊實時測量船體搖擺角度及角度變化速度，進行算法運算后驅動伺服機構動作，提高穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的動態(tài)性能與穩(wěn)定平臺控制精度，保證無人船載設備穩(wěn)定工作。

1雙軸穩(wěn)定平臺工作原理

雙軸機械穩(wěn)定平臺主要由穩(wěn)定平臺（機械結構）、測量模塊（姿態(tài)測量傳感器）、執(zhí)行機構（縱橫搖力矩電機、驅動器）及控制系統(tǒng)等幾個主要部分組成。當船體發(fā)生搖擺，產(chǎn)生姿態(tài)角度變化時，姿態(tài)測量傳感器實時測量船體縱搖及橫搖角度，驅動縱搖電機及橫搖電機反向動作，實現(xiàn)穩(wěn)定平臺機械結構水平方向穩(wěn)定。穩(wěn)定平臺結構上采用外軸橫搖，內軸縱搖的安裝方式，姿態(tài)測量傳感器安裝在平臺底座上，實時測量船體姿態(tài)并將姿態(tài)信息送到控制單元進行控制運算。雙軸機械穩(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)實時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行控制。在實際工作環(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系減弱，當其中某一個姿態(tài)（縱搖或橫搖角度）達到平穩(wěn)時，其耦合關系消除，因此，在對穩(wěn)定平臺進行控制算法研究時，可以忽略相互之間的耦合關系，對兩軸分別進行控制，其穩(wěn)定平臺控制框圖如圖2所示。縱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個組成部分。電流環(huán)及速度環(huán)集成在電機驅動器模塊中，可以有效抑制伺服電機的非線性影響;位置環(huán)由控制模塊實現(xiàn)，包括姿態(tài)測量模塊、編碼器及控制板，進行穩(wěn)定平臺姿態(tài)的檢測、運算與控制，實現(xiàn)穩(wěn)定平臺平穩(wěn)運行。

2.2 PID-前饋控制

PID控制算法是將比例、積分、微分幾個部分經(jīng)過組合構成被控對象的控制變量，其結構簡單、易于實現(xiàn)、且不需要被控對象的精確模型，因此被廣泛應用。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，其本質決定了調節(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節(jié)能力較弱，不能滿足快速搖擺下的動態(tài)特性與精度要求，因此考慮加入速度前饋。前饋控制的特點是實時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)進行實時地調節(jié)和控制，能夠及時補償擾動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，且搖擺變化量是實時可測的，因此可以基于姿態(tài)測量模塊實時檢測縱橫搖擾動變化量，建立前饋控制器補償船體快速晃動帶來的影響，提高平臺控制精度，保證船載設備穩(wěn)定高效的工作。

3仿真實驗和分析

實際工作過程中，橫搖擺動幅度大，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計時主要針對穩(wěn)定平臺橫搖控制進行建模仿真及參數(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)實際所選電機及減速器進行整定。雙軸機械穩(wěn)定平臺包含永磁同步電機（PMSM）、驅動器、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，簡化控制器設計流程，對被控對象模型進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工具進行仿真建模，設計傳統(tǒng)PID與前饋-PID控制算法進行仿真實驗驗證，仿真模型如圖3所示，仿真結果分別如圖4～5所示。仿真模型輸入信號為模擬船體橫搖周期性運動的正弦信號，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)進行調節(jié)，補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)的動態(tài)性能以及更高的控制精度。

4結束語

本文研究了基于雙軸機械穩(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)學模型建立MATLAB/simulink仿真模型對設計的PID-前饋控制算法進行仿真試驗驗證。仿真實驗結果顯示，相對于傳統(tǒng)PID控制算法，前饋-PID控制算法具有較快的動態(tài)響應和更高的跟蹤控制精度，能夠有效補償船體搖擺對穩(wěn)定平臺帶來的影響，為工程應用奠定了基礎。