機載光電吊艙自抗擾控制算法研究

陳 璐，胡東方，商建東

CHEN Lu, HU Dong-fang, SHANG Jian-dong

（河南科技大學 機電工程學院，洛陽 471003）

0 引言

隨著機載吊艙技術的不斷發展，加裝吊艙可以使飛機所具備的功能越來越多，如空中救災指揮、數字化城市、國防偵察等。由于機載光電吊艙在空中執行任務時受風阻力、機械振動、負載擾動等多種因素影響[1]，這些隨機性因素及非線性因素導致機載吊艙的模型難以精確建立，因此采用傳統的控制算法不易達到其控制性能指標。然而，作為宇航領域的一個關鍵技術，提高機載光電吊艙控制精度具有很大的軍事和經濟價值[2]。目前所設計的控制器多采用傳統PID控制算法，控制器參數要實時調整，控制系統抗干擾能力一般,很難滿足機載吊艙高空作業的性能要求。自抗擾控制器是在繼承經典PID控制器不依賴于對象模型優點的基礎上，通過改進經典PID控制器固有缺陷而形成的新型控制器。研究表明，自抗擾控制器對具有非線性、大慣性、不確定性、強干擾、大時滯和強耦合等特性的被控對象具有較好的控制品質[3]。

本文將自抗擾控制算法應用到機載光電吊艙系統中，將所有影響因素歸結為一個總擾動進行在線觀測和補償，以期進一步提高伺服精度[4]。通過MATLAB/Simulink對系統在傳統PID控制和自抗擾控制上的響應快慢以及抵抗擾動能力方面進行了仿真實驗。結果表明，自抗擾控制器具有更好的控制效果，更適應于機載光電吊艙系統。

1 機載光電吊艙控制系統模型分析

本文所研究的吊艙控制系統選用直流伺服電機實現方位和俯仰運動，直流伺服電機與其他電機相比，具有調速范圍寬、高精度、高效率、響應迅速等優點，其能將直流電能轉換為機械能，從而完成各種運動[5]。等效電路如圖1所示。

圖1 直流伺服電機等效電路

圖中，Ra、La、ea分別為電樞回路的電阻（Ω）、電感（H）和電機反電動勢（V）。

通過分析直流伺服電機的等效電路，電樞回路的電壓平衡方程為：

當負載轉矩為零，同時忽略電機的摩擦轉矩和鐵心損耗后，電動機的電磁轉矩全部用來加速轉子，則：

此時可以得到直流伺服電機的傳遞函數：

以上公式中，J為電動機軸上的總轉動慣量（kg·m2），Tem為電動機電磁轉矩（N·m），Kt為電機轉矩系數（N·m/A ），Ke電機的電動勢系數（V·s/rad）；本文所選用電機參數如表1所示。

表1 直流伺服電機參數

機載光電吊艙控制系統的關鍵組成部分主要有位置調節器、脈寬調制變換器、光電編碼器和直流伺服電機[6]。機載光電吊艙控制系統要求具備較高的跟蹤能力和抗干擾能力，當受到飛行姿勢改變和風阻力變化等干擾時，此系統要具備一定的魯棒性。現以方位軸為例，構建機載光電吊艙控制系統模型[7]，如圖2所示。

圖2 機載吊艙控制系統數學模型

根據以上參數計算和分析,可得機載光電吊艙控制系統的傳遞函數如下：

2 自抗擾控制技術的分析及應用

2.1 自抗擾控制器的結構分析

自抗擾控制器主要由過渡過程的安排、擴張狀態觀測器、狀態誤差的反饋形式、擾動估計的補償四個部分構成，能夠實現對外部擾動的實時性估計和補償，具有很強的魯棒性[8]。

自抗擾控制器應用最多的是在一階、二階控制系統，同時也適用于高階控制系統。本文針對機載光電吊艙系統所適用的二階自抗擾控制器進行了分析與設計[9]。 二階自抗擾控制器結構如圖3所示。

二階自抗擾控制器是由如下組成：

1）微分跟蹤器(TD)：安排過渡過程，由定值v安排過渡過程v1并提取其微分信號v2：

圖3 二階自抗擾控制結構原理圖

2）擴張狀態觀測器(ESO)：根據被控對象的輸出y和輸入的控制信號u估計出對象的狀態x1、x2和作用于對象的總擾動x3：

3）動態誤差的非線性反饋律(NLSEF)：系統的狀態誤差是指e1=v1-，e2=v2-，積分器串聯型對象的控制規律u0：

2.2 離散自抗擾控制算法及Simulink實現

工程控制一般需要用數字控制器實現，故先將系統控制對象模型離散化，再通過MATLAB下的S-函數編程來建立自抗擾控制器，分別建立跟蹤微分器TD的S-函數hanTD、擴張狀態觀測器ESO的S-函數hanESO、非線性狀態誤差反饋律NLSEF的S-函數hanNLSEF[10]，由以上模塊就可以在Simulink里搭建好控制系統仿真模型并進行仿真。機載光電吊艙自抗擾控制仿真方案原理如圖4所示。

3 仿真結果分析

為了對比本文所設計的自抗擾控制器和傳統PID控制器的控制效果，我們在MATLAB/Simulink環境下對機載光電吊艙的進行了相關仿真試驗，同時不斷調整并給出了控制參數，通過對試驗結果分析比較兩種控制算法的優缺點。

圖4 機載光電吊艙自抗擾控制仿真原理圖

3.1 階躍信號響應結果分析

經典PID控制器、自抗擾控制器仿真結果如圖5所示，自抗擾控制器比PID控制器響應更快，調節時間由38ms減小到22ms，能更快達到穩態值。

圖5 單位階躍響應對比曲線

3.2 正弦信號跟蹤結果分析

由于機載光電吊艙要求準確的追蹤并鎖定目標，因此對其跟蹤能力有較高的要求，利用正弦信號作為輸入信號，進行仿真分析，結果如圖7所示，經典PID控制器波形跟蹤能力相比自抗擾較弱，跟蹤誤差最大幅值達到0.05s,自抗擾控制器跟蹤誤差最大幅值達到0.023s,可見自抗擾控制器波形跟蹤能力較強。

圖6 正弦跟蹤對比曲線

3.3 抗干擾性能分析

機載光電吊艙控制系統在空中執行任務會受多種因素擾動，因此對PID和自抗擾進行抗擾性能仿真試驗。當系統進入穩定狀態后，在t=100ms處加入3N·m的階躍干擾信號，運行系統仿真模型，觀察兩種控制器在加入擾動情況下的輸出響應。PID控制和自抗擾的響應曲線如圖7所示。

圖7 抗干擾特性曲線

從圖7可知，自抗擾控制系統在受到干擾時具有較快的自我恢復能力，并且有效抑制干擾信號，系統超調量較小，更適合機載光電吊艙系統。

4 結論

針對機載光電吊艙控制系統，選用直流伺服電機驅動兩軸的運動，實現機載吊艙水平和俯仰兩方向的跟蹤。在直流伺服電機的建模基礎上，對整個吊艙控制系統進行建模和分析，根據自抗擾控制原理，設計了二階離散自抗擾控制器，同時利用MATLAB/ Simulink軟件對系統進行理論性能分析和實驗驗證，表明自抗擾控制器能使系統具有良好的跟蹤精度和快速的響應速度，具有一定的應用效果。

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