车载光电侦察平台视轴稳定技术研究

　　摘要：为了进一步提高光电平台伺服控制系统的抗扰动能力，提出一种基于自抗扰控制器的改进型速度稳定回路。首先，分析了平台视轴稳定回路的数学模型并引入电流环对其进行了化简，通过伺服控制系统中扰动作用原理，引入扰动总和的思想。然后，设计含有降阶扩张状态观测器的自抗扰控制器，对扰动总和实时观测并进行线性化前馈补偿。最后，以某型车载光电平台为控制对象，进行了PI控制器与自抗扰控制器的对比实验。实验结果表明，采用自抗扰控制器伺服控制系统相比PI控制法的阶跃响应速度更快，超调幅值仅为PI控制法的26.98%。使用摇摆台引入的频率为2.5Hz的正弦扰动，系统稳态误差幅值仅为PI控制法的9.76%。在系统模型参数改变±15%范围内，自抗扰控制器仍具有良好的抗扰能力，表现出很强的鲁棒性，满足光电平台的性能要求，对提升平台抗扰能力有着较高的实用性。

　　关键词：光电平台;降阶扩张状态观测器;改进型速度环;前馈补偿;抗扰能力；光电检测论文

　　1引言

　　车载光电侦察设备在恶劣的环境中会受到多种多样的干扰，这些扰动会直接影响跟踪系统的稳定性。导致车载光电侦察平台视轴稳定精度下降的因素包括轴系间的摩擦力干扰以及载体震动干扰、环境干扰、载体行驶姿态的突然变化对平台的速度干扰等[1]。因此，提高伺服控制系统的抗扰能力是提高视轴稳定性、提高系统成像质量的关键。提高速度环的带宽、改进速度环的控制算法成为了重要突破点。

　　传统光电侦察平台的视轴控制回路大多采取PID控制算法[2]，其结构简单、参数调节方便，扰动隔离度的高低取决于伺服控制系统带宽的大小。为了避免微分环节对光纤陀螺等速度传感器的测量噪声放大而带来高频噪声，在实际应用中仅使用PI控制[3]。PI控制法是以增大系统开环增益的方式来提升控制系统的带宽，从而得到较高的控制精度。但这样就降低了控制系统的相位裕量，影响控制系统的稳定性[4]。所以传统PI控制法并不能满足当代光电平台的设计要求。扰动观测器也应用于提高光电侦察平台的抗扰能力，其使用被控对象的逆模型与低通滤波器的组合[5]。但对象逆模型会存在微分环节，依然会出现放大噪声的问题。

　　自抗扰控制策略是韩京清教授提出的一种非线性控制理论，现已发展为一种基于扩张状态观测器(ExtandedStateObserver，ESO)的新型实用型非线性控制技术[6]。其设计方法简单，不依赖于控制对象的数学模型，仅通过处理输入信号以及输出信号来提取扰动量，从而计算出系统中接收到的总扰动量，再将总扰动量的值取负前馈补偿于控制量中，来“抵消”扰动的作用，达到抗扰的目的[7]。但在实际应用中发现，当设计的状态观测器阶数越高，所需的权重因子的参数值就越大，而过大的参数值直接导致超调量增大，在一些情况下会出现高频振荡。同时高阶观测器的状态观测使得系统带宽变小，大大降低伺服控制系统的抗扰能力[8-9]。针对这一问题，本文通过设计电流环来简化复杂的电机模型，同时设计预测型扩张状态观测器(PredictiveESO)应用于视轴稳定回路，以此实现伺服控制系统抗扰能力的提升。

　　2光电平台的数学模型及扰动分析

　　2.1平台数学模型分析

　　光电侦察平台伺服系统包括控制方位轴和俯仰轴，其相互独立，并且根据目标在三维空间中的位置对其进行实时跟踪。为达到光电平台的高跟踪精度、快响应、强鲁棒性的要求，伺服控制系统采用包括电流环、速度环以及位置环构成的多闭环级联复合控制回路[10]。平台单轴视轴稳定回路的控制结构图如图1所示。

　　基于预测ESO的自抗扰速度环设计

　　自抗扰控制器包含以下3部分非线性机制：非线性跟踪微分器、非线性状态偏差组合以及非线性扩张状态观测器。非线性机制可以取得高精度和高效率的反馈控制效果[12]。但是由于需整定的参数过多，给理论分析和工程设计带来了极大困难。其参数只能通过在工程实践中调试整定得出。当给定一个小信号输入，非线性反馈所带来的高稳态增益很容易导致光电侦察平台产生高频起振现象[13]。为了解决这个问题，放弃使用非线性自抗扰控制(ActiveDisturbanceRejectCon-trol，ADRC)，改用线性ADRC控制策略。这样不仅在实际应用中达到了更好的控制精度，而且简化了ADRC控制器的结构并减少了需要调节的参数。本文采用线性ADRC控制器的改进型速度环以提高光电侦察平台伺服控制系统的抗干扰能力。

　　3.1降阶扩张状态观测器的设计

　　ADRC控制器的主要作用就是补偿不确定系统，其最重要部分是扩张状态观测器(ExtandedStateObserver，ESO)。利用ESO将各种各样的扰动响应作为一个扩张的状态，通过这个扩张的状态以及系统的输出反馈量来实时估计和补偿扰动。

　　仿真实验

　　为了比较ADRC控制器对光电平台伺服系统速度扰动的抑制程度，分别对引入和不引入ADRC控制器的平台伺服控制系统进行对比仿真实验。通过对控制系统加入已知扰动的情况下，观察系统的稳态误差。单轴自抗扰速度环的simulink实验控制结构图如图3所示。

　　ADRC与PI控制的对比实验

　　为了比较自抗扰控制策略相对于传统PI控制法对光电侦察平台抗扰能力提升的程度，本文以某型车载光电侦察平台作为控制对象，分别设计ADRC控制器以及PI控制器并做对比试验。对比的方面主要包括：(1)视轴稳定系统响应阶跃信号是否迅速，超调量大小;(2)系统的抗扰动能力;(3)控制系统的鲁棒性。实验设备包括：装载可见相机红外相机的某型双载光电平台一台;摇摆台;计算机一台;DSP仿真器一套。控制结构图如图5所示，其中u为系统输入，y为系统输出，d为总扰动，k为估计的系统模型：

　　5.1阶跃响应实验

　　阶跃响应实验方法：给平台单轴控制系统输入阶跃信号的幅度值为3.05(°)/s，观察其稳定时间以及超调量。其阶跃响应曲线如图6所示。

　　图中，采用PI控制器的视轴稳定回路的阶跃响应的稳定时间为100ms，超调量为26.43%;应用了本文设计的ADRC控制器的改进型速度环的阶跃响应稳定时间为70ms，超调量为7.13%。经对比实验可见，加入了自抗扰控制器的改进型速度稳定回路不仅阶跃响应的稳定时间比单纯PI控制器缩短了30%，并且超调量也大大降低，其超调幅值仅为PI控制器超调幅值的33%。实验表明ADRC控制器相比PI控制器具备更加优良的动态性能。

　　5.2抗扰能力实验

　　将光电稳定平台置于摇摆台上，使平台工作在稳定状态，使摇摆台以幅度为1°、频率小于2.5Hz做正弦运动模拟扰动。分别采用PI控制器和ADRC控制器时，对平台负载的速度进行采样，观察控制系统抗扰能力。由于实验中存在陀螺测量噪声，使得曲线不够平滑，但扰动残余幅值扔清晰可见。应用PI控制器和ADRC控制器系统的稳态误差分别如图7和图8所示。

　　由图中可以得出，在PI控制方法中加入AD-RC控制器相比传统PI控制器具备更优良的抗扰动能力。在表1的实验数据中，使用同一光电平台，在相同环境下，对平台施加不同频率的扰动，加入ADRC控制器速度环的稳态误差仅为是PI控制器的9.76%，对高频扰动的抑制能力更优。

　　6结论

　　本文根据车载光电侦察平台伺服控制系统提升抗扰能力的需求，针对平台伺服系统的数学模型设计了基于预测型RESO的自抗扰控制器。在传统PI控制法的基础上加入新设计的ADRC控制器，使其对系统扰动观测并实时补偿。以某型光电平台为实验对象，在相同环境下对ADRC控制器与传统PI控制器做阶跃响应对比实验以及在摇摆台上做扰动隔离实验。

　　实验结果得出，应用了ADRC控制器的平台伺服系统阶跃响应稳定时间为70ms，相比PI控制器缩短30%;超调量幅值仅为PI控制器的26.98%;在2.5Hz的扰动作用下，系统稳态误差幅值为PI控制器的9.76%。在模型增益在±15%范围内变化时，系统仍具备优秀的抗扰能力，表现出强鲁棒性。

　　综上所述，本文提出的采用ADRC控制器的改进型速度环算法进一步提高了光电平台视轴稳定系统抑制干扰的能力。这为提升伺服控制系统性能提供了新的方法，且具备较高的实用性。

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