基于改進干擾觀測器的艦載光電跟蹤系統重復控制?

王 玨

（艦艇學院作戰軟件與仿真研究所 大連 116011）

基于改進干擾觀測器的艦載光電跟蹤系統重復控制?

王 玨

（艦艇學院作戰軟件與仿真研究所 大連 116011）

為降低干擾力矩對光電跟蹤系統精度的影響，提出了基于改進干擾觀測器的光電跟蹤系統重復控制方法。首先，分析了傳統干擾觀測器的缺點，提出了改進干擾觀測器；然后，對由直流力矩電機驅動的光電跟蹤系統進行了建模；最后，在改進的干擾觀測器基礎上為光電跟蹤系統位置環設計了重復控制器，并加入到系統中。仿真結果表明，相對于傳統的PID控制器，所設計的控制器加快了反應速度，大幅提高了控制精度。

干擾觀測器；光電跟蹤；重復控制；干擾力矩

1 引言

艦載光電跟蹤系統是一種具有高探測能力和精密跟蹤性能的，在目標動態測量、軌跡跟蹤記錄、偵查監視、定位通信、制導瞄準等軍事領域廣泛應用的設備［1］。艦載光電系統與陸基光電系統相比，其最本質的區別在于前者安裝在艦載的動基座環境中，因而存在很多干擾［2～4］，這給跟蹤指向帶來新的挑戰和更高的要求。目前，光電跟蹤控制系統的工程實踐中廣泛使用PID控制，復合控制等技術。PID控制［5］存在控制器參數修改不方便、不能實時在線進行調整等缺點；復合控制技術需要的脫靶量信息通常存在滯后，因而對脫靶量的跟蹤不具備實用價值，且其中的前饋控制環節也會給系統帶來擾動。

為提高艦載光電跟蹤系統的跟蹤精度，本文提出了基于改進干擾觀測器的光電跟蹤系統重復控制方法。

重復控制［6］具有控制器結構簡單、在線調整方便、穩態控制精度高、控制性能具有非參數依賴性、能夠穩態無差地跟蹤周期已知的任意周期信號，以及滿足系統穩定性、穩態性能和動態性能的魯棒性等特點。這些優點使重復控制非常適合應用于艦載光電跟蹤系統。

為獲取干擾量，提出了一種基于參考模型擾動估計的前饋控制器。相比于傳統觀測器，它能夠更好地估計系統動態擾動，解決脫靶量和前饋補償的二次擾動問題，保證了系統的穩定性，且響應時間快，動態性能好。

綜上所述，提出了重復控制與改進的干擾觀測器相結合的方法，設計了基于改進干擾觀測器的光電跟蹤系統重復控制器，將兩者的優點相結合。并對所設計的控制器進行了仿真計算，驗證了控制方法的正確性和有效性。

2 干擾觀測器的改進

2.1 干擾觀測器（DOB）簡介及分析

干擾觀測器的基本思想是：把實際的系統輸出與標準模型的系統輸出之差應用于標準模型，估計出等效干擾，并將其作為補償信號反饋到輸入端抵消系統擾動［7］。圖1所示為干擾觀測器的標準結構。

圖1中，ut為輸入，d為外部干擾，ξ為測量誤差；P(s)為實際的被控對象，Pn(s)為對象的標稱模型，(s)為標稱模型的逆模型；Q(s)是一個低通濾波器，δ為等效補償項，為干擾估計值。

干擾觀測器存在如下缺點：濾波器Q(s)對系統輸出和誤差估計都起著較大作用，影響了系統的抗干擾能力；控制對象P(s)不是零階，因此(s)在物理上很難實現；P(s)中含有一階環節，因此(s)中的微分環節會放大測量誤差ξ，降低了系統的控制精度。

2.2 參考模型擾動估計的前饋控制器

為克服第一節中出現的問題，并繼承觀測器干擾估計能力的優點，對干擾觀測器進行改進，將參考模型自適應理論與干擾觀測器原理相結合［8］，將參考模型與實際被控對象輸出誤差比較得到擾動量的估計值，并且將其中的擾動估計作為速度前饋加入控制系統中，實現實時補償系統擾動［9～10］。控制器結構如圖2所示。

圖2中uv為速度輸入，d為力矩擾動，ur為速度擾動估計值；ym為參考模型輸出，y為被控對象輸出，二者差值為ee；G(s)為速度調節器，P(s)為被控對象，P1(s)為參考模型，Gp(s)為擾動補償器。其工作原理為：比較速度輸入uv通過被控對象響應和參考模型相應就可以估計出由力矩擾動d帶來的速度響應ee。將ee通過補償器Gp(s)等效為補償速度ur前饋至速度環中從而補償力矩擾動對光電系統的性能的影響。控制器中沒有使用被控對象標稱逆模型，物理上容易實現，而且避免了干擾觀測器微分放大誤差的問題。

由圖2可得輸入輸出的關系和速度擾動估計方程為

設模型測量準確，P(s)與P1(s)完全匹配，化簡式子（9）得

由式（2）可知，系統開環傳遞函數為：G(s) P(s)，可見，在此方法中，前饋控制器并沒有改變系統的開環特性，不影響系統的穩定性。

在新課標要求下小學體育學科教學也有了新的發展方向，這些新的發展方向一方面指引著小學體育學科教學活動的開展，另一方面也代表了教師在小學體育學科教學中必須采取新的方法。目前，在小學體育學科教學中所突出的新發展方向主要體現在以下方面：

前饋調節器Gp(s)是一個比例低通濾波器。前饋回路的低通濾波器能很好地濾除測量誤差，又能保證系統的穩定。比例環節是基于誤差調節的，能夠加快響應速度、縮短調節時間。

3 基于改進干擾觀測器的光電跟蹤系統重復控制器

3.1 光電跟蹤系統建模

該系統的被控對象部分采用雙環控制結構，分別為速度環和電流環。速度環是已經設計好的PI控制器；其模型如圖3所示。

無刷直流力矩電機是一種特別的直流伺服電機，忽略電樞中電流的波動性，把電流看作直流，這時無刷直流力矩電機近似為線性元件［11］。由電機的工作原理可推出電樞回路的電壓平衡方程為

其中，U為電樞兩端的平均電壓；R，i，L分別為電樞回路的電阻，電流和電感；反電勢e為

其中，Ke，θ?分別為電機的反電勢系數和轉角速度。

電機的電磁力矩與電流成正比

其中，Md為電磁力矩，Km為電磁力矩系數。

定義艦艇搖擺力矩干擾為My，電機的轉矩平衡方程可以表示為

式中，J為負載等效轉動慣量。

3.2 基于改進干擾觀測器的重復控制

重復控制是在20世紀80年代初由Moue等提出的一種學習控制方法［12］。在采用其他控制技術很難獲得很高的控制精度的情況下，重復控制因其控制精度高、實現簡單以及控制性能的非參數依賴性，很快成為解決周期性外激勵信號控制問題的一種有效方法［13］。

重復控制是一種基于內模原理的控制方法。如果某一信號可視為一個自治系統的輸出，將這一信號的模型設置在穩定的閉環系統中，則此反饋系統可實現對此信號的完全跟蹤或抑制［14］。基于內模原理，通過在控制器中引入一個時滯正反饋環節，由時滯環節的記憶特性不斷累積誤差信息進行反復學習，從而使系統能夠穩態無差地跟蹤或抑制周期己知的任意周期信號［15］。

而艦載光電系統與路基系統相比要受到海浪力矩的干擾，一段時間內海浪干擾可以視為周期信號，因此重復控制是提高艦載光電系統跟蹤精度的一種有效方法。其基本結構圖如圖4所示。

在重復控制中，一般期望重復控制作用在高頻段的增益減小，保證系統穩定。為此，在重復控制中經常加入低通濾波器Q(s)，如圖5所示。

將改進的重復控制器加到參考模型擾動前饋控制器前，組成基于改進干擾觀測器的光電跟蹤系統重復控制器。基于改進型干擾觀測器的重復控制系統即利用了觀測器的補償作用，又利用了重復控制的重復疊加提高精度的特性。如圖6所示。

4 仿真實驗及分析

4.1 參數設置

L近似等于0，設定仿真參數為：Ke=1.2V/(rad/s)，Ke1=0.16V/(rad/s)，Km=6N·m/A ，R=8Ω，J=0.465N·m。PID控制器參數為：Kp=120，Ki=8，Kd=5。速度PI控制器參數為：Kpv=10，Kiv=1；KPWM=10；根據比較點移動原理求出 Ke2=0.9V/(rad/s)；艦艇搖擺力矩為：My=15sin2πtN·m 。

基于改進干擾觀測器的控制系統仿真模型和基于改進干擾觀測器的重復控制系統仿真模型分別如圖7～圖8所示。

4.2 結果分析

以階躍信號為輸入，分別運行PID控制系統仿真模型、基于改進干擾觀測器的控制系統仿真模型和基于改進干擾觀測器的重復控制系統仿真模型輸出結果如圖9所示。

由圖9可見，由PID控制時，跟蹤系統受海浪力矩干擾嚴重，存在較大的超調，約為0.45%，調節時間較長，約為0.42s；基于改進干擾觀測器的控制系統有效減少了超調，約為0.28%；基于改進干擾觀測器的重復控制系統則進一步減小超調，約為0.22%，并同時提高了系統的反應速度，減小了調節時間，約為0.34s。

以速度為θ?i=0.0175rad/s的低速跟蹤斜坡信號為輸入，對系統進行仿真，誤差曲線如圖10所示；以θi=sin(πt)rad為輸入，對系統進行仿真，結果如圖11所示。

由圖10可知，在海浪力矩的干擾下，斜坡信號的輸入下，PID控制系統的控制誤差在較大范圍內變化，誤差均方根為1.2mrad，而基于改進干擾觀測器的控制系統則有效抑制了海浪力矩的干擾，誤差均方根為0.034mrad，基于改進干擾觀測器的控制系統進一步抑制了海浪力矩的干擾，誤差均方根為0.026mrad；由圖11可知，在海浪力矩的干擾下，正弦信號輸入下PID控制系統的控制誤差在較大范圍內變化，誤差均方根為1.9mrad，而基于改進干擾觀測器的控制系統則有效抑制了海浪力矩的干擾，誤差均方根為1.7mrad，基于改進干擾觀測器的控制系統進一步抑制了海浪力矩的干擾，誤差均方根為1.3mrad。

5 結語

針對艦艇搖擺力矩對光電跟蹤系統控制精度的具有干擾的問題，本文將重復控制和干擾觀測器結合起來，融合了兩種控制系統的優點，提出了基于改進干擾觀測器的重復控制器，并建立了艦載光電跟蹤系統的仿真模型，進行了仿真實驗。結果表明，與傳統的PID控制相比，所提出的控制方法能夠有效抑制干擾，減小誤差，并改善系統的穩態特性，從而提高了系統的快速性和抗干擾能力。

［1］張艷.提高艦載光電設備跟蹤精度的關鍵技術研究［M］.北京：中國科學院大學，2013.

［2］ W S Ra，I Zh Whang，J Y Ahn.Robust horizontal line-of-sight rate estimator for sea skimming anti-ship missile with two-axis gimballed seeker［J］.IEE Proceed?ings：Radar，Sonar and Navigation，2005，152（1）：9-15.

［3］O Yaakov，I Michael.Mini-UAV attitude estimation us?ing an hertially stabilized payload［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1999，35（4）：1191-1203.

［4］ J Hilkert.Inertially stabilized platform technology［J］.IEEE Control SystemsMagazine，2008，28（1）：26-46.

［5］蔣鋒.基于ARM的光電跟蹤系統伺服控制器設計［M］.西安：中國科學院研究生院，2009.

［6］中野道雄，井上惠，原辰次，等.重復控制［M］.長沙：吳敏中南工業大學出版社，1995：18-83.

［7］高亮.基于干擾觀測器的轉臺控制系統設計［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

［8］李嘉全，丁策，王紹彬等.基于速度信號的擾動觀測器及在光電穩定平臺的應用［J］.光學精密工程，2011，19（5）：998-1004.

［9］陳濤，陳娟，陳長青.直流力矩電機低速自適應跟蹤控制［J］. 光電工程，2003，30（3）：31-34.

［10］丁科，黃永梅，馬祖光等.抑制光束抖動的快速反射鏡復合控制［J］.光學精密工程，2011，19（9）：1991-1998.

［11］陳霞，鄒繼斌.基于干擾觀測器的反作用力矩測試系統魯棒性設計［J］.電工技術學報，2010，25（7）：26-46.

［12］Mohammad M F，Maryam B.Modeling and Robust Dis?crete LQ Repetitive Control of Electrically Driven Robots［J］.International Journal of Automation and Computing，2013，10（5）：472-480.

［13］Tomizuka M，Tsao T，Chew K.Analysis and Synthesis of Discrete-Time Repetitive Controllers［J］.Journal of Dy?namic Systems，Measurement，and Control，1989，111（3）：353-358.

［14］Srinivasan K，Shaw F R.Analysis and design of repeti?tive control systems using the regeneration spectrum［J］.ASME Journal of Dynamic Systems，Measurement and Control：1991，113（2）：216-222.

［15］HARA S.Repetitive control system：a new type servo system for periodic exogenous signals［J］.IEEE Trans Autom Contrl，1988，33（7）：659-668.

Repetitive Control of Ship-based Photoelectric Tracking System Based on the Improved Disturbance Observer

WANG Jue
（Operational Software and Simulation Research Institute，Dalian Naval Academy，Dalian 116011）

In order to reduce the disturbance effect on the precision of the photoelectric tracking system，the paper puts for?ward the repetitive control method of photoelectric tracking system based on the improved disturbance observer.Firstly，this paper analyzes the shortcomings of traditional disturbance observer and puts forward an improved disturbance observer.Then，makes the model of photoelectric tracking system driven by DC torque motor.Finally，on the basis of the improved disturbance observer for photoelectric tracking system position the loop repetitive controller is designed，and added to the system.The simulation results show that，compared with the traditional PID controller，the controller accelerates the reaction speed，greatly improves the control precision。

disturbance observer，photoelectric tracking，repetitive control，disturbance torque

V556

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.033

Class Number V556

2017年5月16日，

2017年6月17日

王玨，男，碩士研究生，研究方向：艦載光電系統視軸穩定技術。