光电稳定平台伺服机构低速及稳定性能控制方法研究

第39卷第10期2018年10月

兵

工学报

ACTA ARMAMENTARII

Vol.39No.10Oct.

2018

光电稳定平台伺服机构低速及稳定性能控制方法研究

祁超,范世珣,谢馨,陈宁,范大鹏,江献良

(国防科技大学智能科学学院,湖南长沙410073)

摘要:由于光电稳定平台伺服机构中不可避免地存在转矩扰动,传统控制方法难以对其补偿达到满意性能,针对此问题,提出一种状态扩展Kalman 滤波算法㊂结合前馈控制提升伺服带宽,实

现伺服机构低速平稳性和稳定精度的优化;为验证该算法的有效性,对采用直驱㊁谐波传动以及摆线针轮行星传动的光电伺服机构开展了多组控制性能实验对比㊂实验结果表明,相比于传统控制方法,所提控制算法能够更为有效地补偿转矩扰动,显著提升光电伺服机构的低速平稳性及稳定性能㊂

关键词:光电伺服机构;Kalman 滤波;扰动补偿;前馈控制;低速平稳性;稳定精度 中图分类号:TP273+.3;TJ810.3+76文献标志码:A 文章编号:1000⁃1093(2018)10⁃1873⁃10

DOI :10.3969/j.issn.1000⁃1093.2018.10.001

Research on Control Method for Improving Low Speed Performance

and Stable Precision of Electro⁃optic Servo System

QI Chao,FAN Shi⁃xun,XIE Xin,CHEN Ning,FAN Da⁃peng,JIANG Xian⁃liang

(School of Artificial Intelligence,National University of Defense Technology,Changsha 410073,Hunan,China)

Abstract :Servo mechanism is the core component of electro⁃optic stabilized platform,and its low speed

performance and stable precision are the key technical indicators.The satisfactory performance of electro⁃optic stabilized platform is always difficult to be achieved due to the nonlinear disturbance,which cannot be eliminated by linear close⁃loop method,such as PID control law.A control method based on the state augmented Kalman filter (SAKF)is proposed to suppress the torque disturbance.The numerous groups of experiments were conducted for method verification,which shows a well compensation for the torque disturbance and the significant improvements of low speed performance and stable precision by the SAKF⁃based control method.

Key words :electro⁃optic servo system;Kalman filter;disturbance compensation;feedforword control;low speed performance;stabilization accuracy

收稿日期:2018⁃01⁃30

基金项目:国家 973”计划项目(2015CB057503)

作者简介:祁超(1990 ),男,博士研究生㊂E⁃mail:nudtqichao@ 通信作者:范世珣(1982 ),男,讲师㊂E⁃mail:shixun.fan@

0　引言

光电稳定平台广泛应用于车载㊁机载武器系统

中[1-3],光电伺服机构是其实现高性能稳定的关键部件,基本组成包括转轴电机㊁传动部件㊁光电载荷㊁

功率放大模块㊁运动控制模块以及测角/测速传感

兵　工　学　报第39卷

器㊂根据负载及工作环境的不同,光电伺服机构的传动部件采用多种形式,其中以电机直驱㊁谐波传动以及摆线针轮行星(RV)传动3种类型最为常见㊂低速平稳性和稳定精度是评价光电伺服机构性能的两项核心技术指标㊂其中,低速平稳性用于衡量光电稳定平台对远距离运动目标的持续跟踪能力,在高性能应用场合,通常要求平稳运动速度优于

0.01°/s;稳定精度用于衡量光电探测器视轴在惯性空间中的稳定性能,通常要求视轴的稳定精度优于0.2mrad.低速平稳性及稳定精度均与电机堵转力矩㊁传动件和框架柔性㊁结构装配精度㊁传感器信号质量以及运动控制算法密切相关[4]㊂由于影响因素较多,非线性特征明显,低速平稳性和稳定精度始终是光电伺服机构性能优化的重点和难点㊂

在工程应用方面,光电伺服机构当前采用的控制方法仍以经典控制为主㊂经典控制方法的实现过程相对简单,对于大多数伺服性能要求不高的场合能够获得满意的性能㊂但经典控制方法本质上属于线性控制,对于转矩扰动等非线性因素无法进行有效抑制,因此在光电稳定平台等要求高性能运动的应用场合,使用经典控制方法往往无法获得理想性能㊂而在理论研究方面,研究人员提出了很多用于提升伺服机构低速平稳性及稳定精度的先进控制策略,然而部分算法结构过于复杂㊁计算量很大,导致实现困难,且实时性问题难以解决㊂还有部分算法仅在个别机构中进行了验证,缺乏在不同类型伺服机构上进行实验测试的结论,因此对其有效性的检验尚不充分㊂

针对经典控制算法难以抑制转矩扰动,同时先进控制算法在实时性及有效性方面无法得到保证的问题,本文将传统比例积分(PI)控制算法㊁状态扩展Kalman滤波(SAKF)算法和前馈控制算法相结合,提出一种基于SAKF的捷联稳定控制算法㊂该算法采用SAKF观测扰动转矩和电机转速,采用前馈控制器来提升系统响应速度,采用反馈控制器来修正控制误差㊂本文给出了规范化的算法实现步骤,并对控制算法参数的设置进行详细说明,使得算法更具有可实现性㊂最后,在电机直驱㊁谐波传动以及RV传动3类伺服机构上开展控制性能对比实验,充分验证了控制算法的有效性㊂

1　光电伺服机构动力学模型

光电伺服机构的稳定精度与低速平稳性取决于其单轴伺服机构运动性能㊂高性能的运动控制器通常需要基于准确的动力学模型进行设计,因此,本节对单轴伺服机构动力学模型的设计过程进行重点说明,并基于该模型分析经典控制方法的局限性,从而为设计单轴伺服机构的高性能控制算法奠定基础㊂1.1　单轴伺服机构动力学模型

单轴伺服机构动力学方程组[5]为

K t i-M f=J d d tωm,

M f=T c+Bωm,

u m=L m d d t i+Ri+K eωm,

u=u m k

c k g

+K a i,

v=ωm K r,

θ=∫v d t

ì

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(1)

式中:K t为电机转矩系数;i为电机电流;J为电机端等效转动惯量;ωm为电机转速;u m为电机电压; L m为电枢电感;R为电枢电阻;K e为反向电动势系数;M f为摩擦转矩;T c为库伦摩擦转矩;B为黏滞摩擦系数;K c为电流环控制器增益;K g为功率放大器增益;u为电流环输入电压;K a为电流环反馈系数;v为负载端转速;K r为传动比;θ为负载端角位置㊂根据(1)式可以构建图1(a)所示的速度开环传递函数模型,其传递函数可以表示为

U(s)=L m s+K a K c K g

+R

K t K c K g T c+

L m Js2+(K a K c K g J+RJ+BL m)s+K a K c K g B+RB+K e K t

K t K c K g K r㊃

V(s),(2)式中:V(s)为负载端转速v的拉式变换;s为拉普拉斯算子㊂

为实现对转矩扰动的观测,对模型(2)式进行适当化简㊂考虑到电流环带宽截止频率远大于系统工作频率,因此可以将模型的电流环部分等效为比例环节,并进一步将库伦摩擦转矩T c折算到指令端,得到图1(b)所示速度开环简化模型,其传递函数为

G uθ(s)=Θ(s)U(s)=K s(s+p),(3)

G uv(s)=V(s)U(s)=K(s+p),(4)

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