高精度稳定平台伺服系统的自抗扰控制

Active disturbance rejection control of high precision stabilized platform servo control system
KUANG Ping，LI Jun，LEI Yang，LEI Pengfei
（ School of Automation，Nanjing University of Science ＆ Technology，Nanjing 210094 ，China）
0
引言
力
［2 ］
。由于应用的广泛性和战略的重要性， 对高精
陀螺稳定平台能够隔离载体角运动， 在载体机 ， 动状态下建立稳定基准面 使安装在平台上的光电 设备不会因载体运动产生的抖动和滚动而丢失目 ［1 ］ 标， 保证光电设备准确瞄准和跟踪目标 ， 因此广 泛应用于民用和军事领域。 随着科学技术的发展， 对平台稳定回路的性能指标的要求越来越高 ， 不但 要求平台系统具有很高的稳态精度和很好的动态品 质， 而且还 要 具 有 足 够 大 的 适 应 范 围 和 抗 干 扰 能
收稿日期： 2015 － 06 － 08 作者简介： 邝平（ 1990 ） ， 男， 硕士研究生， 主要研究方向为机载 稳定平台伺服控制技术 。
度稳定平台的研究已成为世界各个国家的一个重点 研究领域。稳定平台稳定精度的日益提高， 使用常 规方法已难以要求， 急需寻找新的设计方法以改进 。 ［ 3 系统的性能 文献 ］ 提出基于 RBF 神经网络辨识 的模型参考自适应控制算法， 频率为 5 Hz 的正弦扰 4］ 动下隔离度为 0． 7% ； 文献［ 采用变论域模糊 PID 控制方法提高光电跟踪系统精度， 但阶跃响应的超 调量仍达到 40% 。 稳定平台伺服系统由速度环和电流环双环构 成， 该文提出将自抗扰控制器 （ ADRC ） 应用于速度 环设计， 电流环采用经典 PID 控制。
C T 为电机转矩系数， T e 为电机的时间常 电枢电阻， J Σ 为电机转子与负载转动惯量之 数， 且 Te = L / R， 和。实际应用中由力矩电机参数可以得到 CT / R = 1 + Te s
0． 023 ， C = 0． 02 V · s / rad， J Σ = 0． 008 kg · m2 。 1 + 0． 003s e 由于电机的反电动势系数 C e 非常小， 反馈对系统零 极点的影响很小， 故可省略。由于系统中所运用 点、 的动力协调陀螺具有自身内部再平衡功能 ， 内部处 输出的电流值与输入的角速度值 于闭环工作状态， 成正比关系， 并且由于该陀螺的谐振频率较大 ， 在仿 陀螺的模 真的时候可忽略陀螺的谐振环节。 因此， 型可以简化成一个比例环节。 系统中的 PWM 驱动 电路由于延迟时间相对于电机时间常数很短 ， 其数 学模型可以等效为比例环节。故简化后的稳定平台 系统传递函数 G （ s） 近似为一个二阶系统。 G（ s） = CT / R 0 ． 023 = J ∑ s（ 1 + T e s） 0 ． 008 s（ 1 + 0 ． 003 s）
稳定平台结构设计采用双轴或三轴正交的框架 式结构， 各方向轴结构类似， 均由负载、 执行器、 测量 元件、 功率放大器组成， 其中负载为平台框架及安装 执行器为直流力矩电机， 测量 在平台上的光电设备，
图1
稳定平台单轴控制框图
图 1 中忽略了系统的高阶项， 电机的简化模型 为 CT 1 1 ， ， 平台数学模型为 其中 R 为电机的 R 1 + Te s JΣ s
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工业仪表与自动化装置
2016 年第 1 期
高精度稳定平台伺服系统的自抗扰控制
邝 平， 李 军， 雷 阳， 雷鹏飞
（ 南京理工大学 自动化学院， 南京 210094 ） 摘要： 提出了一种应用于高精度稳定平台伺服系统的设计方法 。 为满足稳定平台快速隔离扰 动、 稳定视轴的要求， 将自抗扰控制应用于平台系统的速度环 ， 和常规 PID 控制的电流环一起构成 ADRC － PID 控制。Simulink 仿真结果表明， 与传统 PID 控制相比， 采用自抗扰控制后系统响应速 度快， 隔离度有较大的提高。ADRC － PID 控制可满足高精度光电稳定平台的性能要求， 系统具有 响应速度快， 隔离度好， 鲁棒性强， 稳定性高等特点。 关键词： 稳定平台； 自抗扰控制； 伺服控制； 电流环 中图分类号： TP302 文献标志码： A 文章编号： 1000 － 0682 （ 2016 ） 01 － 0014 － 05
图2
自抗扰控制器结构框图
1 ） 跟踪微分器 TD： 为系统的输入 v 安排过渡过 程， 得到光滑的输入信号 v1 并提取其微分信号 v2 。 2 ） 扩张状态观测器 ESO： 根据对象的输出信号 y 和输入信号 u 估计出对象的状态 z1 ， z2 和对象的总 扰动和的实时作用量 z3 ， 从而将有位置外扰作用的 ， 非线性、 不确定对象化为简单的“积分串联型 ” 实 现对象的线性化和确定化。 3 ） 非线性组合 NLSEF： 系统的状态误差是指 e1 = v1 － z 1 ， e2 = v2 － z 2 ， e2 误差反馈律是根据误差 e1 ， 的非线性组合来决定的控制纯积分器串联型对象的 控制规律 u0 。 扰动估计的补偿： 对误差反馈控制量 u0 用扰动 估计值 z3 的补偿来决定最终控制量。 2． 2 自抗扰控制算法设计 ［6 ］ 在实际运用中， 一般采用离散化的结构 ， 该
Abstract： A new design method applied in high － precision stabilized platform is introduced． In view of the requirements of isolating disturbances and stabilizing optical axis of a stabilized platform，it can improve the performance of the system control by optimizing control algorithms． Active disturbance rejection control （ ADRC ） controllers are used to design the speed loop of the high － precision stabilized system， together with current loop based on conventional PID control consist ADRC － PID control． By Simulink simulations it shows that the ADRC has more faster response，and the isolation degree of disturbance high than that of PID． In conclusion，the ADRC based on current loop satisfies the performance requirements of photoelectrical stabilized platforms and has such characters as fast response，good isolation，strong robustness and high stability． Key words： stabilized platform； active disturbance rejection control； servo control； current loop
文使用的具有扰动跟踪补偿能力的自抗扰控制器的 完整算法如下：
· 16· （ 1 ） TD 离散算法实现 以设定值 v0 为输入， 安排过渡过程 e = v1 （ k ） － v0 v2 （ k ） ， r， h） fh = fhan（ e， v1 （ k + 1 ） = v1 （ k） + hv2 （ k） v2 （ k + 1 ） = v2 （ k） + h * fh （ 2 ） ESO 离散算法实现
以系统输入 y 和输入 u 来跟踪估计系统状态和 扰动。 e = z1 （ k ） － y （ k ） fe = fal（ e， 0． 5， δ） 0 ． 25 ， δ） fe1 = fal（ e， z1 （ k + 1 ） = z1 （ k） + h（ z2 （ k） － β01 e） z2 （ k + 1 ） = z2 （ k） + h（ z3 （ k） － β02 fe + b0 u（ k） ） z3 （ k + 1 ） = z3 （ k） － hβ03 fe1 （ 2） 式中： β01 ， β02 ， β03 为一组参数。 （ 3 ） 非线性状态误差反馈
工业仪表与自动化装置
2016 年第 1 期
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成完整的自抗扰控制器
。 这一思路大大地简化
了自抗扰控制器参数整定的复杂度， 下面简要地阐 述各部分参数整定。 （ 1） 1 ） 跟踪微分器的参数整定 TD 的核心参数是速度因子 r 和积分步长 h， r 值越大， 系统跟踪效果越好， 但是过大的 r 值对于含 有噪声干扰的跟踪信号降低跟踪微分器输出信号品 0． 000 1 。 质， 误差也随之增大。对于二阶对象可取 r = h2 2 ） 扩张状态观测器的参数整定 ESO 参数 β01 、 β02 、 β03 三者大小与积分步长密切 相关。一般的， β01 h = 1 ， 而 β02 、 β03 按照与 β01 的关系 b0 较大的话， β02 和 β03 可以适当的取大些。 来确定， 3 ） 非线性组合参数整定 β1 、 β2 的整定类似于 PID 控制器参数的整定， β1 相当于比例系数， β2 相当于微分增益。 4 ） 参数 b0 CT / R b0 = ， 这是唯一与被控对象有关的参数， J∑ T 因此 ADRC 控制器的性能与其息息相关， 允许其值 在实际的参数值附近一定范围内波动 。 根据上述整定原则， 并通过大量的仿真研究， 最 终确定系统参数如下： （ 4） TD 参数 r = 1 000 000 ， h = 0． 000 1 ； ESO 参 数 β01 = 100 000 ， β02 = 30 000 ， β03 = 100 000 ， = 0． 01 ； δ NLSEF 参数 β1 = 280 ， β2 = 1 ， α01 = 0． 25 ， α02 = 0． 75 ， δ01 = 0． 001 ， δ02 = 0． 001 ； 参数 b0 = 0． 076 5 。
2
平台稳定回路控制算法设计
该文设计的稳定平台伺服系统采用双闭环控制
结构， 电流环作为内环， 速度环作为外环。电流环的 作用是使电枢电流严格跟随电压指令变化 ， 消除反 电动势对输出力矩的影响从而准确控制电机输出力 矩
［5 ］
。电流环能够提高速度环的稳定精度， 还可以
提高系统静态力矩刚度。同时电流环能够削弱电机 在低速运行时出现的“爬行 ” 现象和避免换向时的 “平顶” 情况。 速度环能保证平台跟踪目标过程平 稳。平台系统电流环采用 PID 控制， 速度环采用自
2016 年第 1 期
工业仪表与自动化装置
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稳定平台伺服系统结构及数ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ模型
元件为测量角速率的陀螺仪和测量转角的旋转变压 器， 功率放大器采用 PWM 驱动方式。 稳定平台系统控制框图如图 1 所示。该控制回 路由 PWM 功率放大、 力矩电机、 平台负载、 陀螺、 低 通滤波和控制器组成。
抗扰控制。 2． 1 平台伺服系统的自抗扰控制设计 稳定平台的一项重要功能就是隔离载体的扰动， 在系统中对隔离起主要作用的是速度环， 因此改善速 度环的动态特性是实现高精度稳定平台的关键。 二阶自抗扰控制器结构如图 2 所示， 它由跟踪 微 分 器 TD， 扩 张 状 态 观 测 器 ESO， 非线性组合 NLSEF 组成。