线性自抗扰控制在雷达伺服系统应用

随着雷达探测技术的发展,传统PID算法存在对控制增益敏感、“快速性”和“超调性”不可调和以及微分很难选取等缺点,已不能满足雷达伺服系统对控制性能的要求。自抗扰控制(ADRC)具有不依赖被控对象模型、无超调、响应速度快、鲁棒性强的优点,越来越受到重视,但其缺点是参数众多、调节过程复杂。线性自抗扰控制器(LADRC)通过对自抗扰控制算法线性简化和参数整合,极大简化其参数和调节过程,同时又保持了自抗扰控制的优点。将线性自抗扰控制器应用到雷达伺服系统以提高其响应快速性和鲁棒性,减小系统的超调性。最后对比传统PID控制器,试验结果表明,线性自抗扰控制器在提高雷达伺服系统响应速度、稳定性、抗干扰和鲁棒性方面优于PID。     

基于神经网络自抗扰控制的交流伺服系统分数阶控制

针对某火箭炮交流伺服系统存在惯性力矩、摩擦、变负载及不同工况下内外扰动等复杂非线性,传统的PID控制方法难以得到良好性能指标的问题,在分析火箭炮交流伺服系统组成的基础上,建立其系统数学模型,并设计一种基于神经网络自抗扰控制(ADRC)的分数阶PID(FOPID)控制器;为减少该控制器参数计算量以及提高其动态性能特性,引入RBF神经网络控制算法,对FOPID控制器的积分阶次和微分阶次实时在线自整定。数值仿真实验结果表明:该控制策略能够有效抑制位置扰动,具有修复到位快、响应速度快、无超调等优点。     

永磁同步电机伺服系统控制中的自抗扰控制策略

本文以高精度伺服系统中的永磁同步电机变速扫描为研究对象,针对自抗扰控制器中跟踪微分器(trace differentiator,TD)及扩张状态观测器(expansion state observer,ESO)模块的延时响应和参数复杂等缺点,设计了一种改进的自抗扰控制器,有效简化了其TD和ESO模块并减少可调参数,以实现内外干扰较大的环境下电机的高精度快速响应。将该控制器应用到某型号项目的伺服摆扫镜机构中,并将其性能与同条件下传统比例-积分-微分(proportion-integration-differential,PID)控制器性能作对比。实验结果表明:改进的自抗扰控制器表现出优于PID的控制性能,0°/s^10°/s响应时间75 ms,超调小于6%,稳态精度达到±1%;变速跟踪过程转速波动小,无超调,扫描周期时间波动小于0.0014 s,起始位置角度定位精度高于0.0015°,满足型号项目指标要求。改进的自抗扰控制器对其他搭载永磁同步电机实现变速跟踪扫描的系统也有一定的参考价值。     

扰动分离自抗扰控制在光电稳定平台上的应用

针对当前光电稳定平台伺服系统中扰动抑制能力不足的问题,提出一种扰动分离自抗扰控制（DSADRC）算法。扰动分离自抗扰控制充分利用工程实际中可获取到的部分已知的光电稳定平台模型信息及经典控制中的控制器信息,并将其加入到自抗扰控制的设计中。该算法通过减少光电稳定平台系统中的总扰动量,增加系统的扰动观测精度及扰动抑制能力。同时,通过算法设计实现了经典控制器的复用,减少了设计工作量。仿真实验结果表明:在控制器相同、扰动条件相同的情况下,扰动分离自抗扰控制阶跃响应调节时间减少58.8%,上升时间减少26.5%,且无超调量;在1V2Hz等效扰动下,系统稳态精度提高51.5%,系统性能提升效果明显。在实物验证实验中,对于不同频率的等效扰动,相比PID控制,扰动分离自抗扰控制稳态精度提升50%以上,有效地提高了光电稳定平台的稳态精度。     

精确模型辨识的光电平台自抗扰控制器

针对实际工程中的复杂光电平台对控制精度要求越来越高的需求,提出一种依据系统精确模型辨识方法的自抗扰控制器设计方法。考虑机械谐振和摩擦因素,建立光电载荷控制系统精确数学模型,并根据系统输入输出特性辨识系统的数学模型参数,在所辨识模型的基础上设计自抗扰控制器。以某型光电跟踪平台为例,设计了4阶跟踪微分器,5阶扩张状态观测器和非线性状态偏差反馈控制律组合的自抗扰控制器。在Matlab/simulink中建立系统仿真平台,对PID控制器和自抗扰控制器进行仿真对比,结果表明,采用自抗扰控制器的系统超调由1.8%减小到0.9%,系统最大跟踪误差由0.03（）/s减小到0.013（）/s,超调更小,响应时间更快,抗扰动能力更强。     

拼接镜面望远镜位移促动器系统的自抗扰控制

针对拼接镜面望远镜主动光学控制技术的要求,设计了一种改进型自抗扰控制器以改善位移促动器系统的位置跟踪性能和提高抗扰动能力。首先,建立了拼接镜面位移促动器系统及扰动风载的数学模型;设计了改进型自抗扰控制器,并给出了控制器参数选择的方法。其次,对位移促动器控制系统进行了仿真分析,验证了控制器的可行性。最后,利用风载扰动模拟装置,在位移促动器系统中引入扰动,并对比改进型自抗扰控制器与线性自抗扰控制器以及PID控制器控制性能。实验结果表明,改进型自抗扰控制器系统阶跃跟踪的稳定时间为201 ms,稳态均方差为7.1 nm,无超调;风载干扰实验中,改进型ADRC的最大偏差值为38.8 nm,稳态均方差为7.6 nm,改进型ADRC的性能明显优于线性自抗扰控制器和PID控制器,对提高位移促动器系统的性能有较高的实用性。     

自抗扰技术在高精度跟瞄系统中的应用

介绍了一种应用于高精度跟瞄系统的自抗扰控制器。通过与常规PID比较,对该控制器进行了功能分析,并结合实际系统,分析出其在控制上的优越性;分别采用PID控制器和自抗扰控制器对高精度跟瞄系统的速度环进行了设计。在Matlab仿真和实验验证中得到了一致的结果:自抗扰控制器能改善伺服系统的速度响应特性,可以实现阶跃响应快速无超调。在突发扰动条件下,自抗扰控制器的跟踪精度稳定性和鲁棒性均优于常规PID控制器。     

航空光电稳定平台扰动频率自适应的自抗扰控制

为了进一步提高光电稳定侦查平台的抗干扰能力,文中提出一种基于扰动频率自适应的自抗扰控制新方法。首先,基于带宽单参数化的设计方法,设计了扰动频率自适应的扩张状态观测器,从而解决了传统扩张状态观测器对二阶及二阶以上系统扰动观测存在明显相位滞后的影响;然后,设计了带扰动补偿的控制规律;最后,在模拟飞行器中以2.5 Hz 以内任意频率扰动的作用下,测试其抗扰动的性能。实验结果表明:对比于传统的平方滞后超前控制器,采用于扰动频率自适应的自抗扰控制器,系统的扰动隔离度至少提高6.72 dB,且随着扰动频率大于0.5 Hz,扰动隔离度的提高更为明显,最优情况已达到12.94 dB;同时,该控制器具有很强的鲁棒性,允许被控对象参数在10%的范围内浮动,满足高精度光电稳定平台的性能要求,具有较高的实用价值。     

机载光电稳瞄平台的线性自抗扰控制

为了提高机载光电稳瞄平台的抗扰动能力和动态响应特性,在平台上进行了基于线性自抗扰控制的改进控制方法研究。改进的线性自抗扰控制器采用模型辅助的降阶线性扩张状态观测器以及采用系统输出量和输出量微分来产生控制量,不仅可以减小观测器的相位滞后和观测负担,提高观测器对扰动的估计能力,还可以减小观测器滞后和估计误差对控制律的影响。仿真实验结果表明:改进的线性自抗扰控制器在低中频段具有更好的频域特性,阶跃响应实验中表现出更好的动态响应特性,在系统输入为零的条件下,给系统施加幅值为、频率为2.5 Hz的正弦波力矩扰动和正弦波角速度扰动,基于线性自抗扰控制器的系统输出残差峰值分别为0.175（）/s与0.566（）/s,基于改进的线性自抗扰控制器的系统输出残差峰值分别为0.155（）/s与0.030（）/s,实验结果验证了改进方法的有效性。     

基于自抗扰控制器的柴油机转速控制

当柴油机作为转速控制系统的被控对象时,是一个多变量强耦合非线性系统,采用经典PID控制难以得到满意的控制效果,但是自抗扰控制理论设计的控制器,能够提高调速系统的精度、准确度和柴油机的抗扰动能力。本文主要介绍了自抗扰控制技术(Active Disturbance Rejection Control Technique,ADRC),并且根据自抗扰控制技术设计了切实可行的自抗扰控制器,通过与PID控制的仿真比较,显示出自抗扰控制器对转速控制的较小超调量和较短调节时间,反应出良好的动态性能和稳态特性。     

基于DSP和FPGA的望远镜伺服控制系统设计

针对交流永磁同步电机驱动的大型望远镜的高精度、低速平稳运行问题,研制了一套基于浮点数字信号处理器（DSP）和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的驱动控制器。该控制器以DSP 作为主控制器,FPGA 作为协控制器,主控制器完成控制算法、接受指令等功能,协控制器实现PWM 产生、电流采集、速度检测等功能。根据永磁同步电机矢量控制原理建立了永磁同步电机的数学模型,进行了永磁同步电机控制器的硬件设计;在硬件设计的基础上,采用自适应PI 对望远镜的低速控制性能进行了研究。实验结果表明:当望远镜以32.4 （）/s 匀速运行时,速度波动范围为0.648 （）/s;当对望远镜做最大速度为1（）/s,最大加速度为1（）/s2 的正弦引导时,最大引导误差为9.72 ,引导误差RMS 值为3.24 ;该驱动控制系统能够实现望远镜的低速平稳运行,满足大型望远镜伺服控制系统的性能要求。     

基于自抗扰控制的光电平台视轴稳定技术研究

针对影响光电平台控制精度的载体速度扰动以及测量噪声等因素,设计了扰动自抗扰以及滤波控制的两部分控制策略。首先,通过分析光电平台伺服系统速度稳定环的数学模型中扰动作用原理,等效各个扰动作用并提出扰动总和思想,设计了基于降阶扩张状态观测器的自抗扰控制器。其次,利用卡尔曼滤波器对系统中测量噪声进行了滤波处理,降低了扩张状态观测器的估计误差。最后,详细地进行了传统PI控制系统与文中设计的卡尔曼自抗扰控制系统的对比实验。实验结果表明,在设计带宽相同的情况下,卡尔曼自抗扰控制系统相比PI控制系统的阶跃响应稳定时间减小32.53%,超调幅值减小72.73%;当使用摇摆台引入幅值为1频率、在2.5 Hz以内的正弦扰动时,卡尔曼自抗扰控制系统较PI控制系统的扰动隔离度提升了54.67%以上;在系统模型参数改变15%范围内,卡尔曼自抗扰控制系统仍具有优异的扰动隔离性能,表现出较强鲁棒性,满足光电平台视轴稳定的性能要求,对提升视轴稳定精度有较高实用价值。     

基于迭代学习控制的潜望式激光通信终端系统的动态跟踪设计

为提高潜望式激光通信终端伺服系统的动态跟踪性能,针对基于永磁同步电机的二维伺服转台的控制系统进行了设计。通过采取空间矢量控制方法实现电机的解耦控制,建立控制模型并完成了各控制回路的设计。针对动目标跟踪设计了迭代学习控制方法以提高通信终端的动态跟踪性能,并对控制系统的速度阶跃响应进行测试,分析通信终端系统的低速平稳性。最后,搭建了4.62 km激光通信的动态跟踪实验,利用六自由度转台模拟平台抖动,为动态跟踪验证实验创造外部平台扰动条件。实验结果表明:通信终端系统速度阶跃响应的稳态误差为±0.02 (°)/s,表明伺服系统速度回路具有较快的动态响应特性和较高的稳态精度,在最大加速度为0.219 (°)/s2的正弦波扰动条件,二维伺服转台的动态粗跟踪精度可以达到62 μrad,粗精复合跟踪精度优于2 μrad,验证了通信终端伺服系统的有效性及其动态跟踪性能,为进一步提高终端系统的跟踪精度奠定基础。     

反作用轮实现微纳卫星光电跟踪物理仿真

为了验证以反作用轮为执行机构实现姿态机动,完成微纳卫星对运动目标跟踪的可行性,设计了基于单轴气浮台的微纳卫星光电跟踪物理仿真系统。首先,为提高物理仿真系统的性能,分别对反作用轮和气浮台的干扰力矩进行分析;其次,针对反作用轮存在的干扰力矩和加、减速时间常数不对称的问题,设计了增益调度和力矩补偿相结合的反作用轮控制策略;再其次,采用双闭环-速度前馈的控制结构,完成了微纳卫星光电跟踪物理仿真系统的控制系统的设计;最后,为了验证仿真系统的跟踪性能,对作正弦运动的一维靶标进行跟踪。实验表明:对于跟踪最大速度为9（）/s、最大角加速度为4.5（）/s2的正弦运动靶标,物理仿真平台的跟踪精度达到0.4,从而说明以反作用轮为执行机构实现姿态机动,微纳卫星可以实现对运动目标的跟踪。     

新型快速反射镜伺服系统设计

为了满足光电跟踪系统高精度跟踪的要求,针对一种新型内外框架式快速反射镜进行了详细的伺服系统设计。首先,对新型快速反射镜进行了数学建模,采用速度环与位置环相结合的双闭环控制方法,对位置校正环节和速度校正环节进行了参数设计。其次,以DSP 为实现平台,详细阐述了快速反射镜伺服系统的硬件组成。再次,对快速反射镜伺服系统的工作模式和软件工作流程进行了详细说明。最后,为了验证快速反射镜伺服系统的性能,进行了锁零实验和跟踪实验。实验结果表明:快速反射镜锁零时响应快速且稳态误差小于0.3,跟踪时跟踪误差均方根小于7。新型快速反射镜伺服系统能够满足光电跟踪系统对快速反射镜的快速性和高精度要求。     

基于Simulink的火炮伺服系统自抗扰控制仿真

为了解决火炮伺服系统存在负载变化大、冲击扰动力矩强等问题,将自抗扰控制技术应用到火炮伺服系统位置控制器中。该控制算法通过实时估计与补偿来弥补传统控制方法的不足。通过在Simulink软件平台搭建了ADRC的火炮伺服系统三环模型,仿真结果对比传统PID控制。对比结果表明,基于ADRC的系统超调小、响应速度较快、具有较强的鲁棒性。