滑模变结构控制在惯性平台稳定回路中的应用
贾 琳1 孟卫锋1, 2
(航天时代电子公司第16研究所1,西安710100;西北工业大学自动化学院2,西安710072)
摘 要 为了与新型高精度惯性平台相匹配,解决传统PID控制的稳定回路抗干扰性能不高的问题,设计了滑模变结构控制器。滑模变结构控制器的主要特点是:当系统状态穿越状态空间的不同区域时,反馈控制器的结构按照一定的规律发生变化,使得控制器对系统的内在参数变化和外在扰动等因素具有较强的鲁棒性,从而保证系统能够达到期望的性能指标要求。MATLAB仿真结果表明,滑模变结构控制器在很多指标上均优于传统PID控制器,特别表现在超调量,动态性能以及对干扰的抑制能力方面,是平台系统的理想控制器。
关键词 惯性平台 稳定回路 传统PID控制 滑模变结构控制 MATLAB
中图法分类号 TP273; 文献标志码 A
随着我国航天,航空以及航海事业的飞速发展,对高精度的惯性导航设备的需求也越来越迫切。惯性平台系统为导航系统和姿态稳定系统提供测量基准,而其中平台的稳定回路是事关导航精度的关键部分。随着平台系统所用陀螺仪精度的不断提高,其稳定回路的控制方法也需要加以改变,不能成为影响整个导航系统精度的瓶颈。由于PID控制器的很多优点,现阶段的稳定回路大多采用基于位置反馈的PID控制方法,但是其固有的缺陷也是显而易见的。因此,另外选择更优的控制策略成为了稳定回路改进的一大方向。
1 稳定回路数学模型的建立
稳定回路是控制平台姿态的闭环回路,它同修正回路共同作用使平台稳定跟踪当地地理坐标系。稳定平台有三条稳定回路通道,即x(内环轴),y(台体轴),z(外环轴)通道,由三套基本上相同的部件组成。三个陀螺装在平台台体上,两个耦合放大器(y通道无)装在内环框架上,伺服分解器(y通道无)装在台体轴上。三个前置放大器装在基座上,三个力矩电机分别装在三个框架轴上。以x通道为例来进行稳定回路的分析及设计。x通道稳定回路原理图如图1所示。
4 系统仿真
采用simulink分别对传统PID控制和滑模变结构控制进行仿真。其中滑模变结构参数的设置为c1=15 000, c2=700,ε=0.1,k=20 000。两种控制策略的单位阶跃响应和单位阶跃扰动响应分别如图3和图4所示。
5 结束语
通过仿真可以看出,传统PID控制阶跃响应超调量大,振荡次数多,稳定时间长,且对参数变化非常敏感,对干扰的抑制能力也有限。而滑模变结构控制器结构简单,计算量小,系统阶跃响应无超调,无振荡,稳定时间短,对参数变化不敏感,特别是对干扰的抑制效果非常好,提高了接近一个数量级,这对惯性平台来说尤为重要。总之,滑模变结构控制器可以对惯性平台进行控制,具有重要的工程价值。
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