红外目标模拟器中分离镜的滑模变结构控制_

摘要：针对红外目标模拟器中分离镜伺服系统的抗干扰控制问题，本文利用变结构控制响应快速，对系统参数变化和外部扰动不灵敏的特点设

计了一个滑模变结构控制器。采用指数趋近律与饱和函数相结合的方法对滑模控制器的抖振进行了有效抑制。采用机理分析方法建立了分离镜

系统的数学模型。在仿真过程中，利用S函数描述摩擦模型，简化了仿真建模，提高了仿真速度。通过数字仿真并与传统PID控制方法相比较，

证明滑模控制器对于分离镜伺服系统的参数摄动和外部干扰具有良好的鲁棒性，可以保证和提高整个红外制导仿真实验系统的仿真精度和实验

结果的置信度。
关键词：红外制导仿真系统；分离镜；滑模变结构控制；鲁棒性；红外目标模拟器
1引言
红外制导仿真实验是红外制导武器的重点仿真工程。红外目标/干扰模拟器是红外制导仿真实验系统的重要组成部分，它为红外导引头提供红外

目标源和系统中可能出现的干扰信号，使得在实验室内能够对红外导引头的捕捉目标能力、跟踪能力、抗干扰能力和一些动态性能给出比较精

确的评价结果。红外目标/干扰模拟器的结构图，其中分离镜的转动能使目标光路和干扰光路分离，从而模拟系统中可能出现的干扰信号。但分

离镜系统因自身偏心及外部摩擦的影响受到很大扰动，因此控制分离镜系统使其稳定运行，对于保证整个红外制导仿真实验系统的仿真精度和

提高实验结果的置信度具有重要意义。

本文采用滑模变结构控制理论设计控制器，利用趋近律与饱和函数相结合的方法抑制滑模控制器的抖振，使得分离镜闭环伺服系统稳定运行。
最后与传统PID控制方法相比较证明滑模控制器对于分离镜系统的参数摄动和外部干扰具有良好的鲁棒性。
2分离镜系统的结构和模型分析
2.1分离镜系统的结构分析
在红外目标/干扰模拟器中，分离镜被固定在一个俯仰框架上并随之运动。分离镜的转动由与其相连的电机带动，为减少传动环节，消除机械传

动所带来的间隙非线性的影响，分离镜与电机轴直接相连，但它们之间的摩擦会对分离镜的稳定运行产生干扰。分离镜的机械结构决定了其具

有严重的偏心，使得在俯仰运动中重力和惯性力都产生很大的扰动。分离镜的实际转角利用角度传感器进行测量和反馈，通过控制器形成闭环

伺服控制系统，分离镜的结构图.
2.2分离镜系统的模型分析
采用理论推导的机理模型法来建立分离镜系统的数学模型。对分离镜系统进行受力分析，针对分离镜的转轴Ο1列写力矩平衡方程，分离镜受力

分析图如图3所示。图2、图3中，分离镜的转轴为Ο1，俯仰框架的转轴为Ο，ΟΟ1=l，俯仰框架绕转轴Ο转动，θ0(t)为俯仰框架的转角，这

里将其视为已知条件，不受分离镜运动的影响。分离镜的质量为m，C为质心，偏心距为e，关于质心的转动惯量为J。分离镜受转矩M作用，控制

M就可以控制分离镜绕轴Ο1转动的转角θr(t）。根据达朗伯原理，以分离镜转角θr(t)为广义坐标，在考虑了惯性力以后.
在分离镜伺服控制系统中，电机采用的是有限转角直流无刷力矩电动机，电动机的各项参数已知。系统的外部干扰主要是分离镜与电机轴之间

的摩擦，摩擦模型存在许多变型和简化形式，本文采用常用的Stribeck摩擦模型，Stribeck曲线如图4所示。根据实际经验定义：|θ(t)|<α为

停滞区，|θ(t)|>α为运动区，α为非常小的正常数。
3滑模变结构控制器设计
在分离镜闭环伺服系统中，系统受到分离镜与电机轴之间摩擦力矩的干扰，分离镜自身具有严重的偏心，并且分离镜是被固定在一个俯仰框架

上随之运动，因此分离镜闭环伺服系统是一个复杂非线性不确定系统。滑模变结构控制作为控制系统的一种综合方法，能够通过控制量的切换

使系统状态趋近到达切换面，并沿着切换面滑动。在滑动模态时，系统对于参数摄动和外部干扰在一定条件下具有不变性。滑模变结构控制的

这种特点使它适用于象分离镜这样存在干扰和不确定性的机械伺服系统。
忽略分离镜的偏心和电机的电枢电感以及俯仰框架运动的影响，滑模变结构控制分离镜伺服系统结构框图如图5所示。图中R为电机电枢等效电

阻，Kt为电机力矩系数，Ke为电压反馈系数，Ku为功率放大器的放大系数，J为分离镜的转动惯量，θ为转动角速度，r为指令信号，u为变结构

控制输入。
4仿真研究
为设计变结构控制器对分离镜模型进行了线性化处理，忽略了分离镜的偏心e，实际上偏心是由分离镜的物理结构所决定，是系统所固有的，在

仿真和实验时必须予以考虑。采用Simulink进行仿真时，利用S函数来实现Stribeck摩擦模型，相比于利用Simulink标准模块构建摩擦模型的方

法，简化了仿真建模，提高了仿真效率。指令输入信号为：r=0.5sin(0.25πt），分别采用PID控制和滑模变结构控制(SMC）。受偏心和摩擦的

影响，PID控制的位置跟踪误差大，存在明显的滞滑现象。
在零速时，PID控制速度跟踪存在明显的死区，跟踪误差较大，过死区时间长。SMC能够克服偏心和摩擦的影响，精确地跟踪目标信号的位置变

化，显著削弱死区影响，缩短过渡过程时间。PID的稳态误差为0.15rad，SMC的稳态误差为0.02rad，可见滑模变结构控制器能保证和提高分离

镜伺服系统的跟踪精度，有效抑制滞滑运动，对系统的参数摄动和外部干扰具有良好的鲁棒性。
5结论
本文在建立分离镜系统数学模型的基础上，采用Stribeck摩擦模型，分析了系统所固有的偏心和外部摩擦对系统的影响，设计了滑模变结构控

制器。通过仿真研究与传统PID控制相比较证明滑模变结构控制器能有效抑制参数摄动和外部干扰对系统的影响，保证分离镜系统的控制精度，

使其具有良好的鲁棒性，从而提高红外制导仿真实验系统的仿真精度和实验结果的置信度。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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