陀螺稳定平台自适应分层滑模速度控制
杨蒲,李奇
(1.南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016; 2.东南大学自动化学院,江苏南京210096)
摘要:为了消除高精度陀螺稳定平台系统中的非线性因素对系统控制的影响,设计了一种自适应分层滑模速度控制器。结合某小型电视跟踪导引头中的陀螺稳定平台实际系统,首先,介绍了稳定平台系统的控制结构,具体分析了陀螺速度闭环的工作原理,以及系统中影响速度控制性能的主要非线性因素。其次,针对系统特点,结合滑模控制强鲁棒性的优点,在速度闭环中设计了分层滑模控制。在边界层内,采用了积分增益型滑模控制。在边界层外,采用了带有灰色预测控制项的滑模控制。针对滑模控制中扰动量无法准确确定的问题,设计了自适应调整方法实时估计扰动量的大小。最后,利用Lyapunov方法证明了该方法的稳定性。在导引头稳定平台上实验表明,同PID控制相比,该滑模速度控制器能够有效消除系统非线性因素的影响,改善了闭环速度控制的性能,提高了稳定精度。同时,与比例滑模控制相比,该方法有效减弱了抖振现象。
关键词:自动控制技术;陀螺稳定平台;滑模控制;自适应控制;灰色预测;积分增益
中图分类号:TJ765.3文献标志码:A文章编号:1000-1093(2008)07-0864-06
引言
在各种机载、舰载光电跟踪运动设备中,陀螺稳定平台是保证系统正常工作的重要组成部分。由于载体在运动过程中,受到各种外界扰动的作用,必然引起光电成像装置的瞄准线视轴(LOS)剧烈的抖动,造成成像质量下降,甚至无法提取精确的目标脱靶量,导致整个系统跟踪目标丢失。因此,必须采用视轴稳定技术[1]。陀螺稳定平台作为视轴稳定系统的一种常用结构,通常由两轴或三轴机电多框架组成,内框上放置光电成像装置,安装在各框架上的速率陀螺作为速度闭环的测量反馈器件,可以敏感平台相对于惯性空间的角速度,实时隔离外部扰动,保证视轴稳定。因此,其实质就是一种速度伺服控制系统。在工程实践中,由于系统存在各种非线性扰动因素,采用常用的PID控制或PD控制作为速度控制器,很难保证稳定平台的扰动隔离精度,尤其是在低速运行时,常常出现速度的死区现象和非平稳现象,因此目前针对稳定平台速度控制器设计,提出了许多控制方法,如文献[2]采用的H∞控制和文献[3]采用的模糊控制方法等,但这些方法由于计算过于复杂或者过于依赖控制对象的精确数学模型,因此很难在实际系统中应用。本文以某型号导引头为实际背景,针对其中的陀螺稳定平台速度控制系统,结合滑模控制理论,设计了自适应滑模控制器,有效地提高了系统的扰动隔离精度和鲁棒性,同时该方法简单易用,保证了系统具有良好的快速性和低速性能。
1 稳定平台控制结构及其非线性特性分析
1.1 控制系统结构组成
为了完成导引设备目标跟踪等主要功能,本型号导引头陀螺稳定平台采用了以支架式底座为主体的3轴正交的框架式结构。它是由空间上互相垂直的三个框架构成,其中内框为方位轴系,中框为俯仰轴系,外框为横滚轴系,每个轴系均由独立的直流力矩电机驱动,分别控制导引头在方位,俯仰和横滚方向上的运动。由于各轴系硬件组成类似,因此其控制采用相同的结构。图1为方位轴系控制系统结构图。
由图1可以看出,由速率陀螺构成的速度闭环形成了导引头光电跟踪系统的内回路,加上电视跟踪器构成的位置外环,共同组成了导引头的主要控制系统。陀螺稳定平台控制系统工作于两种方式:在锁定目标前,稳定平台先处于搜索状态,即陀螺速度闭环接收操作员通过操控台给定的自动或人工搜索指令信号,控制电机转动,完成对目标的准确搜索与发现;当确定并锁定目标后,平台系统进入自动跟踪状态,速度闭环只接收电视跟踪器产生的目标跟踪位置误差信号,即陀螺速度闭环按照位置控制器的输出值,使导引头视轴始终实时快速跟踪目标。
同时,无论平台系统处于何种工作状态,速率陀螺都可以提前敏感出各框架相对于惯性空间的转速,一旦系统受到外扰动,陀螺稳定平台能够迅速把扰动消除在速度闭环内,保证导引头跟踪过程中视轴的始终稳定,有效起到了光学稳定平台的作用。此外,在陀螺速度环内部,还添加了一个由模拟控制器和模拟传感器构成的电流内环,它可以充分减小电流波动对速度闭环的影响,提高控制力矩的线性度,从而提高了陀螺速度闭环的稳定隔离精度。因此,在整个导引头控制系统结构中,陀螺速度内环起到了改善电机特性,提高系统刚度和跟踪速度,增加调速范围,减小系统非线性和扰动隔离的作用。
1.2 系统非线性特性分析
导引头是高精度机电一体化伺服跟踪系统,工作中存在着诸多影响系统控制效果的非线性因素运动,其中影响到陀螺稳定平台速度控制性能的非线性扰动主要有以下几方面:1)系统参数的变化,如传动轴的弹性形变造成系统的轴系刚度系数难以推算,同时系统负载的波动,也会使得输出速度的平稳性很难得到保证;2)摩擦扰动是影响转台速率运动性能的一个不利因素,尤其在低速运行时,对系统性能影响明显,导致电机死区和极限环振荡[4],而摩擦作为一类典型的不连续非线性函数难以实现精确建模补偿;3)在实际系统中,当电机旋转时由于磁阻的周期性变化,电机转子和定子之间会产生一个作用于电机轴上的周期性波动力矩[5],该力矩干扰在直接驱动情况下未经减速装置,直接作用于负载,成为影响系统控制精确度的重要原因;此外,驱动电机饱和、轴系间的力矩耦合、测量信号噪声以及电气参数波动等也都会影响到稳定平台的速度控制性能。综合以上因素,可以看到陀螺稳定平台是一个具有很强非线性的难于精确建模的机电控制系统。
从实验中也可以看到,采用传统PID控制,仅仅当系统工作点在被控过程输入/输出特性的线性范围内时,才能够基本满足性能指标。但当系统处于非线性不确定现象区域,例如在平台启动时和低速运行时,偏差就会较大,此外,当系统放大器、电气元件出现饱和特性时,整个回路开环增益系数会大大下降,这时系统出现严重的畸变,系统稳定性受到破坏,稳定平台产生大的摆动或快速转动而无法快速扶正。因此,实际应用中必须设计更为有效的非线性鲁棒控制方法。
2 自适应分层滑模控制器设计
滑模变结构控制作为控制系统的一种综合方法,具有优良的控制性能和易于实现等特点。通过滑动模态的引入,使得系统在滑动模态下不仅保持对系统部分结构的不确定性、参数变化以及外界干扰等不确定因素的鲁棒性,而且可以获得满意的动态性能,因此滑模控制目前在交、直流传动系统中的
3 实验结果及分析
实验装置为自行研制的某型号导引头,它在机械结构上分为前后两个互相连接的独立舱段,前段是带有透明窗口的光学舱,其中安装有光学镜头、摄像机、三轴陀螺伺服稳定平台。后段就是放置各种信号发生、信号处理和驱动电路的电子舱。基座设计为具有两个自由度的支架,能够模拟施加扰动信号。陀螺稳定平台伺服控制器选用TI公司的专用运动控制DSP-TMS320LF2407A.这里仍以方位轴系为例给出实验结果和分析。忽略电机电枢电感,取定采样周期为3.12 ms,则方位轴系的状态方程可以表示为:
 度闭环的速度跟踪性能不好,在低速时存在死区现象,曲线超调量比较大,存在明显的跟踪偏差,并且转轴在加速和减速运动时的跟踪性能存在很大差异,说明当各轴系处于不同位置时,系统的扰动参数存在明显变化。同样,图3给定相同的速度方波信
 器输出曲线,下图为换用AHSC控制时相应的输出曲线。从图中可以看到,上图中控制量存在明显抖振现象,而下图曲线比较平稳,说明采用AHSC控制可以有效降低滑模控制在实际应用中的抖振现象。图5和图6是在位置环采用PID控制,给定位置始终保持为零的情况下,速度环分别采用PID控制和AHSC控制时,利用导引头基座对系统施加幅度小于10°,频率低于5 Hz范围内的随机扰动时,系统的位置输出曲线。两图对比可以看出,速度环采用AHSC控制后,系统的瞬态角位置误差从原有的小于0.04°下降到小于0.018°,从图6中可以看到位置输出曲线始终保持在零值附近。图7给出了系统在跟踪某一运动目标时,从监视器画面上看到的图像,可以看到目标始终被锁定在十字波门中间,目标图像没有明显晃动,说明陀螺速度闭环能够实时快速保持视轴稳定,完成对目标的精确跟踪。
4 结论
陀螺稳定平台系统中的非线性因素,直接影响到系统的速度闭环控制精度,进而影响到整机的目标跟踪精度和跟踪速度。尤其是对低速性能要求很高的高精度光电跟踪设备,必须采用有效的控制方法消除非线性扰动因素。本文详细分析了三轴陀螺稳定平台系统中的非线性特征,结合自适应控制和滑模变结构控制理论,设计了一种自适应分层滑模变结构速度控制器。在某型号导引头陀螺稳定平台系统实验中表明,该方法可以有效消除系统中的非线性扰动,改善了陀螺速度闭环的低速性能和跟踪精度,提高了视轴稳定精度,同时在控制中有效避免了滑模抖振现象。
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