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。     

航空光电稳定平台的二级自抗扰控制器

为了进一步提高两轴四框架航空光电稳定平台的抗 干扰能力,提出了一种二级自抗扰控制器(ADRC)的新方法。首先,在外框架中加入高精度陀 螺仪,使其具备扰动抑制能力;然后分别在内外框架中,采用带宽单参数化的设计方法设计 ESO及带扰动补偿的二级自抗扰控制规律;最后,在飞行模拟转台中测试(ADRC)对2.5Hz以内任意频率扰动的抑制能力。实验结果表明,对比于传统的平方滞后 超前控制器,采用二级ADRC,系统的扰动隔离度至少提高9.65dB, 且随着扰动频率大于0.5Hz,扰动隔离度的提高更为明显,最优情况 已达到16.08dB;同时,二级ADRC具有很强的鲁 棒性,允许被控对象参数在17%的范围内浮动,满足了高精度航空光 电稳定平台的性能要求,对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价 值。     

线性扩张状态观测器的改进及在空间光通信粗跟踪的应用

针对传统自抗扰控制器的扰动补偿效果随着扰动频率增加迅速下降的问题,提出了一种基于改进的线性扩张状态观测器的自抗扰控制方法。该方法首先对粗跟踪进行系统分析、简化及辨识;然后对线性扩张状态观测器的观测原理进行详细推导与论证,从理论上指出其不足,提出了一种改进的线性扩张状态观测器;最后将改进的算法与PID调节器相结合,实现了粗跟踪的自抗扰控制。实验结果表明:针对幅度在1、频率在0.5~2.5 Hz间的外部位置扰动,传统的自抗扰控制器随着扰动频率的增加,扰动隔离度下降非常明显,2 Hz时的提升程度仅为0.5 Hz处的9.5%;而采用改进的算法使扰动隔离度至少提高了4.146 dB,且随着扰动频率的增加,扰动隔离度的提升非常稳定,2.5 Hz时的提升程度与0.5 Hz处几乎一致;此外,该方法有较好的鲁棒性,允许被控对象在20%的范围内变化。理论分析、仿真分析、物理实验均证明该方法的有效性,对类似的光电跟踪系统有一定的参考价值。     

光电稳定平台神经网络自抗扰控制方法

提出了一种采用BP神经网络对自抗扰控制器中的非线性扩张状态观测器进行参数整定的方法,简化了非线性扩张状态观测器繁琐的参数整定过程,并对这种结合了BP神经网络的自抗扰控制系统进行了仿真分析。仿真结果表明,加入BP神经网络的自抗扰控制系统可以显著地提高机载光电稳定平台的扰动隔离度,控制效果明显比传统自抗扰控制方法好,对提高机载光电稳定平台的视轴稳定精度具有重要意义。     

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。     

基于ESO的导引头稳定平台双积分滑模控制

为了提高导引头稳定平台抗扰性及速度稳态跟踪性能,提出了一种基于扩张状态观测器（Extended State Observer,ESO）的双积分滑模控制器（Double Integral Sliding Mode Controller,DISMC）。首先,采用二阶扩张状态观测器对系统的未知扰动进行估计;然后,采用了双积分滑模控制器实现了系统的低稳态误差跟踪,同时采用了改进的幂次趋近律来削弱控制系统的抖振影响;最后,采用导引头稳定平台进行目标跟踪实验和隔离度性能测试。实验结果表明,与传统基于扰动观测器（Disturbance Observer,DOB）的PI控制方法相比,跟踪3（）/s的梯形波时,在提出的控制器作用下速度跟踪快速性提高了48 ms,跟踪误差标准差提高了0.0131（）/s。同时用转台模拟弹体扰动分别为sin（t）、3sin（5t）、7sin（2t）时,系统的隔离度分别提高了2.91%、0.45%、0.7%,表明基于扩张状态观测器的双积分滑模控制器对导引头稳定平台具有较强的抗扰性和较好的跟踪性能。     

基于自适应自抗扰控制技术的2 m望远镜K镜的速度控制研究

为了满足2 m望远镜系统中消旋K镜伺服系统的速度控制性能,提出一种基于控制律参数自适应的自抗扰控制新方法。首先,基于速度回路被控对象,设计了二阶线性扩张状态观测器,以实现对扰动的实时观测;然后,为了提高速度环动态和稳态性能,采用回归分析方法,设计了控制律参数基于输入速度变化而自适应调整的比例控制器;最后,搭建了消旋K镜伺服控制实验系统,在速度阶跃信号激励下开展实验研究。结果显示:与传统PI和自抗扰控制器相比,系统以0.001（）/s速度运行时,稳定时间从7.3 s、3.2 s减少至0.9 s;以10（）/s速度运行时,系统超调量从8%、62%降低至无超调;在中低频段的扰动抑制能力最大提高了23 dB,性能得到了提高,可满足K镜伺服系统高精度的速度控制性能要求。     

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。     

陀螺稳定平台速度环的离散自抗扰控制

针对陀螺稳定平台在高精度定位下的控制精度受到速度环电机在低速运动时非线性摩擦力影响的问题,文章设计了一种改进策略的自抗扰控制器,将原系统中的非线性摩擦力与电机不同转向时的模型误差统一视为系统扰动,采用扩张状态观测器对这个扰动进行估计,前馈到控制量中进行校正。理论分析了一阶离散系统上扩张状态观测器的推导过程和稳定性条件,并采用遗传算法工具箱对针对平台所设计的扩张状态观测器的参数进行辨识。在仿真实验中,我们首先分析了所设计的扩张状态观测器的开环性能,然后将所设计的自抗扰控制器与实际系统采用的PI控制器的控制精度进行了对比分析。文章为进一步提高陀螺稳定平台的控制性能,提供了一种新的高精度的控制策略。     

机载光电稳定平台自抗扰控制研究

为了提高机载光电稳定平台的稳定精度,在分析研究机载光电稳定平台工作原理的基础上,对稳定控制回路进行了分析建模,简要分析了影响稳定平台精度的因素和经典控制算法存在的不足,提出了基于自抗扰控制技术的改进算法。首先,将电机模型进行处理,简化为二阶积分串联型环节;然后,设计扩张观测器对扰动进行实时估计,设计带扰动补偿的反馈控制律;最后,仿真测试了自抗扰控制器对扰动的抑制能力,并与现有的经典控制方法进行对比。仿真结果表明,自抗扰控制能够有效地抑制各种扰动的影响,与经典控制算法相比,抗干扰能力有明显增强,速度稳定精度和视轴稳定精度也有较明显的提高。     

半捷联导引头混合自抗扰控制系统设计

为了使半捷联导引头在干扰力矩和刻度尺误差引起的耦合干扰及其他不确定干扰下仍具有很强的鲁棒性,提出了伺服系统混合自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control,ADRC）方案。首先,建立了导引头半捷联稳定平台数学模型;其次,设计了半捷联导引头稳定平台混合自抗扰控制系统,通过对自抗扰稳定回路频带特性进行研究,分析了控制器参数对控制性能的影响,给出了控制参数设计原则;最后,对混合自抗扰控制方案进行了数字仿真验证。仿真结果表明:相比于传统控制器,混合自抗扰控制器能获得更好的控制精度,能有效克服干扰力矩和刻度尺误差对导引头的影响,在典型弹体频率2 Hz处隔离度幅值比传统控制器最多能降低约67.9%。研究成结果可为半捷联导引头稳定控制系统的设计提供指导。     

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。     

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。     

Automatic disturbances rejection controller for precise motion control of permanent-magnet synchronous motors

A highly robust automatic disturbances rejection controller (ADRC) is developed to implement high-precision motion control of permanent-magnet synchronous motors. The proposed ADRC consists of a tracking differentiator (TD) in the feedforward path, an extended state observer (ESO), and a nonlinear proportional derivative control in the feedback path. The TD solves the difficulties posed by low-order reference trajectories which are quantized at the sensor resolution, and the ESO provides the estimate of the unmeasured system's state and the real action of the unknown disturbances only based on a measurement output of the system. Simulations and experimental results show that the proposed ADRC achieves a better position response and is robust to parameter variation and load disturbance. Furthermore, the ADRC is designed directly in discrete time with a simple structure and fast computation, which make it widely applicable to all other types of derives.     

摩擦自适应补偿在导引头稳定平台控制系统中的应用

为提高两轴双框架导引头稳定平台的隔离度,设计了导引头控制系统。在惯性空间基础上,建立了导引头的隔离度模型,分析了影响系统隔离度的主要因素。根据对系统摩擦性质的分析,建立了系统的摩擦模型,并确定了摩擦补偿算法。采用极点配置和超前滞后的方法设计了控制器,并通过仿真和实验的方法验证了摩擦自适应补偿算法的可行性。俯仰单通道仿真结果表明,摩擦自适应补偿算法能准确估计出模型参数,且在弹体扰动幅值为1,频率为2 Hz时,系统在摩擦自适应补偿后,俯仰框隔离度提高了97.14%。实验结果显示,在弹体扰动幅值为1,频率为2 Hz时,导引头俯仰框和偏航框的隔离度分别为1.58%和1.81%;在弹体扰动幅值为3,频率为3 Hz时,导引头俯仰框和偏航框的隔离度分别为2.84%和2.15%。     

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。