一种导引头稳定平台的控制方法及复合控制系统

摘要

本发明公开了一种导引头稳定平台的控制方法及复合控制系统，该控制方法对导引头稳定平台采用三环控制，即电流环、速度环和位置环；所述电流环是通过采用有刷电机PWM功率驱动芯片来实现的，所述速度环通过复合控制策略来实现，复合控制策略包括巴特沃斯滤波器、干扰观测器、陷波器、不完全微分PID；所述位置环采用小积分PI或者比例控制器来实现。本发明的导引头稳定平台的复合控制系统，采用上述的导引头稳定平台的控制方法实现对导引头稳定平台的控制。本发明的控制方法能够有效提高系统的抗扰性和快速性，且容易实现。此外，导引头稳定平台的复合控制系统，具有结构简单，容易实现的优点。

权利要求

1.一种导引头稳定平台的控制方法，其特征在于：所述控制方法对导引头稳定平台采用三环控制，所述三环为：电流环、速度环和位置环；所述电流环是通过采用有刷电机PWM功率驱动芯片来实现的，所述速度环通过复合控制策略来实现，其包括巴特沃斯滤波器、干扰观测器、陷波器、不完全微分PID控制器，所述位置环采用小积分PI控制器或者比例控制器；

速度环和位置环采用如下步骤实现控制:

第一步，利用巴特沃斯滤波器对陀螺进行滤波；

第二步，开环系统辨识；

第三步，设计干扰观测器；

第四步，对加入干扰观测器后的速度开环系统的频率特性进行测试；

第五步，设计陷波器；根据第四步对开环系统进行频率特性测试的结果设计陷波器；

第六步，对加入陷波器后的速度开环系统的频率特性进行测试；

第七步，设计不完全微分PID控制器；对第六步得到的频率特性曲线进行分析，根据分析结果设计不完全微分PID控制器；

第八步，对加入不完全微分PID控制器后速度闭环系统的频率特性进行测试；

第九步，设计位置环控制器；位置环采用小积分PI控制器或者比例控制器，调节控制器参数得到满足性能指标的系统。

2.如权利要求1所述的导引头稳定平台的控制方法，其特征在于：所述第一步中，巴特沃斯滤波器是根据导引头稳定平台的速度输出稳态误差指标来设计的，该巴特沃斯滤波器采用二阶巴特沃斯滤波器，对陀螺滤波进行分析并确定最终的截止频率。

3.如权利要求1所述的导引头稳定平台的控制方法，其特征在于：所述第二步中，对滤波后的开环系统进行辨识，采用扫频法或随机噪声法获得系统输入输出数据，对输入输出数据进行处理得到系统的频率特性曲线，基于二阶线性传函模型，利用最小二乘法对系统进行辨识，得到开环系统模型。

4.如权利要求3所述的导引头稳定平台的控制方法，其特征在于：所述第三步中，设计干扰观测器通过以下步骤实现：步骤一，综合考虑噪声和抗扰性，通过反复调试得到满足要求的干扰观测器中的低通滤波器；

步骤二，根据第二步所辨识的开环系统模型，得到系统的名义模型；

步骤三，结合系统名义模型最终得到满足要求的干扰观测器。

5.如权利要求1所述的导引头稳定平台的控制方法，其特征在于：所述第四步、第六步和第八步中，分别对加入观测器后的速度开环系统、加入陷波器后的速度开环系统和加入不完全微分PID控制器后速度闭环系统进行频率特性测试，采用扫频法或随机噪声法获得输入输出数据，对输入输出数据进行处理得到系统的频率特性曲线。

6.如权利要求1～5任一项所述的导引头稳定平台的控制方法，其特征在于：所述第五步中，参照系统机械谐振抑制方法，设计陷波器对加入干扰观测器后系统频率特性引入的凸包区域进行抑制。

7.如权利要求6所述的导引头稳定平台的控制方法，其特征在于：所述陷波器的具体参数根据凸包区域最高点确定中心频率。

8.如权利要求1～5任一项所述的导引头稳定平台的控制方法，其特征在于：所述电流环采用硬件实现，根据硬件芯片特性配置系数，实现电流闭环。

9.一种导引头稳定平台的复合控制系统，它通过权利要求1～8任一项所述的导引头稳定平台的控制方法实现对导引头稳定平台的控制，其特征在于：所述导引头稳定平台采用俯仰偏航双框架结构；导引头稳定平台上安装有探测系统、陀螺和角度传感器。

10.如权利要求9所述的导引头稳定平台的复合控制系统，其特征在于：所述探测系统安装在导引头稳定平台上作为载荷，陀螺装于导引头稳定平台上用来测定俯仰偏航的角速度、角度传感器分别安装在俯仰偏航轴上用来测定角位移。

说明书

一种导引头稳定平台的控制方法及复合控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及自动控制领域，特别是一种导引头稳定平台的控制方法及复合控制系统。

背景技术

[0002] 随着目前制导系统对精确打击目标的需求越来越高，对导引头光电稳定平台的性能也提出了更高的要求，导引头系统是集光、机、电技术于一体的装置，通常由位标器和电子组件组成。位标器位于导引头的最前端，由光电稳定平台、探测系统组成，是实现导引系统目标探测、光轴稳定、随动和跟踪的核心组件。其中光电稳定平台主要功能是利用惯性传感器的空间稳定功能，隔离导弹的扰动，使得光电探测器的光轴指向稳定。稳定平台隔离扰动的能力决定于平台伺服系统的控制精度，稳定平台的机动性能决定于平台伺服系统的快速性。

[0003] 目前在导引头稳定平台中常用的方法为PID控制。该方法设计简单且行之有效，但是面对复杂环境的扰动时候，PID抗扰能力受限，为了满足日益提髙的战术技术指标，有必要设计相应的控制器改善系统的快速性及抗扰性。

[0004] 因此，需要设计一种导引头稳定平台的控制方法及复合控制系统，具有结构简单，容易实现的优点，并且还具有快速性和抗扰性。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了克服现有技术的上述不足，而提供一种导引头稳定平台的控制方法，该方法对导引头稳定平台采取有效的电流环、速度环和位置环等三环控制，以解决现有技术中PID抗扰能力受限的问题。

[0006] 本发明的技术方案是：一种导引头稳定平台的控制方法，该控制方法对导引头稳定平台采用三环控制，所述三环为：电流环、速度环和位置环；所述电流环是通过采用有刷电机PWM功率驱动芯片来实现的，所述速度环通过复合控制策略来实现，其包括巴特沃斯滤波器、干扰观测器、陷波器、不完全微分PID，所述位置环采用小积分PI或者比例控制器；速度环和位置环采用如下步骤实现控制:

[0007] 第一步，利用巴特沃斯滤波器对陀螺进行滤波；

[0008] 第二步，开环系统辨识；

[0009] 第三步，设计干扰观测器；

[0010] 第四步，加入干扰观测器后系统频率特性测试；

[0011] 第五步，设计陷波器；根据第四步对系统进行频率特性测试的结果设计陷波器；

[0012] 第六步，加入陷波器后系统频率特性测试；

[0013] 第七步，设计不完全微分PID控制器；对第六步得到的频率特性曲线进行分析，根据分析结果设计不完全微分PID控制器；

[0014] 第八步，加入不完全微分PID控制器后速度闭环系统频率特性测试；

[0015] 第九步，设计位置环控制器；位置环采用小积分PI控制器或者比例控制器，调节控制器参数得到满足性能指标的系统。

[0016] 进一步地，所述第一步中，巴特沃斯滤波器是根据导引头稳定平台的速度输出稳态误差指标来设计的，该巴特沃斯滤波器采用二阶巴特沃斯滤波器，对陀螺滤波进行分析并确定最终的截止频率。

[0017] 进一步地，所述第二步中，对滤波后的开环系统进行辨识，采用扫频法或随机噪声法获得系统输入输出数据，对输入输出数据进行处理得到系统的频率特性曲线，通过基于二阶线性传函模型，利用最小二乘法对系统进行辨识，得到开环系统模型。

[0018] 进一步地，所述第三步中，设计干扰观测器通过以下步骤实现：

[0019] 步骤一，综合考虑噪声和抗扰性，通过反复调试得到满足要求的干扰观测器中的低通滤波器；

[0020] 步骤二，其次根据第二步所辨识的开环系统模型，得到系统的名义模型；

[0021] 步骤三，结合系统名义模型最终得到满足要求的干扰观测器。

[0022] 进一步地，所述第四步、第六步和第八步中，分别对加入观测器后的系统、加入陷波器后系统和加入不完全微分PID控制器后速度的闭环系统进行频率特性测试，采用扫频法或随机噪声法获得输入输出数据，对输入输出数据进行处理得到系统的频率特性曲线。

[0023] 进一步地，所述第五步中，参照系统机械谐振抑制方法，设计陷波器对加入干扰观测器后系统频率特性引入的凸包区域进行抑制。

[0024] 进一步地，所述陷波器的具体参数根据凸包区域最高点确定中心频率。

[0025] 进一步地，所述电流环采用硬件实现，根据硬件芯片特性配置系数，实现电流闭环。

[0026] 本发明还提供一种导引头稳定平台的复合控制系统，通过上述的导引头稳定平台的控制方法实现对导引头稳定平台的控制，所述导引头稳定平台采用俯仰偏航双框架结构；导引头稳定平台上安装有探测系统、陀螺和角度传感器。

[0027] 进一步地，所述探测系统安装在导引头稳定平台上作为载荷，陀螺装于导引头稳定平台上用来测定俯仰偏航的角速度、角度传感器分别安装在俯仰偏航轴上用来测定角位移。

[0028] 本发明的有益效果：本发明提供了一种导引头稳定平台的控制方法，该方法对导引头稳定平台采取有效的电流环、速度环和位置环等三环控制，能够有效提高系统的抗扰性和快速性，且容易实现。此外，还提供了一种导引头稳定平台的复合控制系统，具有结构简单，容易实现的优点。

附图说明

[0029] 图1为本发明实施例的半主动激光导引头系统示意图；

[0030] 图2为本发明实施例1的控制器框图；

[0031] 图3为本发明实施例2的控制器框图；

[0032] 图4为本发明实施例的控制方法流程图；

[0033] 图5为本发明实施例的巴特沃斯滤波对比；

[0034] 图6为本发明实施例的开环系统辨识曲线；

[0035] 图7为本发明实施例的干扰观测器的等效变换；

[0036] 图8为本发明实施例的加入干扰观测器后系统频率特性；

[0037] 图9为本发明实施例的加入陷波器后系统频率特性；

[0038] 图10为本发明实施例的速度环阶跃响应；

[0039] 图11为本发明实施例的速度闭环频率特性；

[0040] 图12为本发明实施例的位置闭环阶跃响应；

[0041] 图13为本发明实施例的隔离度测试平台的组成关系图；

[0042] 图14为本发明实施例的隔离度测试输出。

[0043] 图中，10—光学系统，20—激光探测器，30—稳定平台，40—偏航电机，50—角度传感器，60—陀螺，70—速度环，80—不完全积分PID控制器，90—陷波器，100—二阶巴特沃斯滤波器，110—比例控制器，120—电位计，130—小积分PI控制器。

具体实施方式

[0044] 以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

[0045] 实施例1

[0046] 半主动激光导引头系统示意图如图1所示，它包括光学系统10、激光探测器20、稳定平台30、偏航电机40等。其中光电稳定平台30中俯仰框性能通过采用本文提出的复合控制系统和控制方法进行验证。系统主要指标如下：系统的速度稳态最大误差小于0.2°；系统的隔离度在7°1Hz扰动输入下，隔离度小于等于5％；系统速度环70带宽不小于15Hz。

[0047] 导引头稳定平台30采用俯仰偏航双框架结构，导引头稳定平台30上安装有探测系统、陀螺60和角度传感器50。探测系统安装在导引头稳定平台30上作为载荷，陀螺60装于导引头稳定平台30上用来测定俯仰偏航的角速度、角度传感器50分别安装在俯仰偏航轴上用来测定角位移。具体的，陀螺60采用MEMS陀螺60，角度传感器50采用电位计。

[0048] 具体的，系统分为三环调试，即电流环、速度环70和位置环。其中电流环采用有刷电机PWM功率驱动芯片MSK4253实现电流闭环，电流环采用硬件实现，根据硬件芯片特性配置系数，实现电流闭环。系统进行装配和硬件连接后，对驱动芯片进行配置，实现电流环带宽为1000Hz以上。

[0049] 具体的，设计后电流环的带宽达到1300Hz。

[0050] 如图2所示，速度环70采用复合控制策略，其包括巴特沃斯滤波器、干扰观测器、陷波器90、不完全微分PID，位置环采用比例控制器110(图中黑色虚线带箭头部分，表示了导引头特有的跟踪模式，如果是指令跟踪模式下就是采用电位计输出和指令作差生成位置控制器控制输入；如果是目标跟踪下，则是通过激光探测器20和数据处理后直接得到的脱靶量作为位置控制器的输入，此处实际上采用了两种模式，在以下的第九步中位置阶跃响应是指令跟踪模式，采用了电位计反馈；在隔离度测试时采用的是探测器处理模式，没有采用电位计反馈)。完成系统的装配工作和硬件连线工作后，该实施例的控制方法依照图4所示的流程图进行(以下方法中给出的都是模型的连续模型，在调试中需要采用双线性离散法进行离散，采样周期，速度环70为1ms，位置环为20ms)。

[0051] 对速度环70和位置环是通过以下步骤实现的：

[0052] 第一步，利用巴特沃斯滤波器对陀螺60进行滤波；根据导引头稳定平台30的速度输出稳态误差指标设计巴特沃斯滤波器，采用二阶巴特沃斯滤波器100，对陀螺60滤波进行分析并确定最终的截止频率。

[0053] 具体的，采用二阶巴特沃斯滤波器100，利用软件实现。巴特沃斯滤波器如下式所示：

[0054]

[0055] 其中ωc为截止频率。

[0056] 截止频率选择为100Hz，最终得到滤波前后系统稳态输出如图5所示，满足稳态最大误差小于0.2°/s的需求。

[0057] 第二步，开环系统辨识；对滤波后的开环系统进行辨识，可以采用扫频法或随机噪声法获得系统输入输出数据，对输入输出数据进行处理得到系统的频率特性曲线。基于二阶线性传函模型，利用最小二乘法对系统进行辨识，得到开环系统模型。

[0058] 具体的，采用随机噪声法，系统输入10s幅值为0.3°/s的随机噪声，采集陀螺60经过滤波器的输出值，将输入输出进行处理后，得到的系统的波特图如图6中曲线(实测)所示，采用二阶线性系统和最小二乘法对系统进行辨识，辨识曲线为图6中曲线(拟合)所示，得到的系统的名义模型为

[0059] 第三步，设计干扰观测器；设计干扰观测器通过以下步骤实现：

[0060] 步骤一，综合考虑噪声和抗扰性，通过反复调试得到满足要求的干扰观测器中的低通滤波器；

[0061] 步骤二，其次根据第二步所辨识的开环系统模型，得到系统的名义模型；

[0062] 步骤三，结合系统名义模型最终得到满足要求的干扰观测器。

[0063] 具体的，采用C.J.Kempf等提出的干扰观测器的基本思想，利用干扰观测器等效框图设计干扰观测器，如图6所示。其中干扰观测器中低通滤波器的设计采用二阶线性模型：

[0064]

[0065] 综合考虑对扰动的抑制能力和对噪声的敏感性，最终确定低通滤波器中的τ＝0.005。

[0066] 由于干扰观测器能够观测扰动，但是敏感于噪声，所以需要综合考虑进行设计。

[0067] 第四步，加入干扰观测器后系统频率特性测试；对加入观测器后的系统进行频率特性测试，可以采用扫频法或随机噪声法获得输入输出数据，对输入输出数据进行处理得到系统的频率特性曲线，对曲线进行分析，用于设计陷波器90。

[0068] 具体的，加入干扰观测器后系统的模型也发生了变化，采用随机噪声法测试系统频率特性，方法依照第二步，得到了系统的频率特性响应曲线如图8所示，可以看出系统在211.7rad/s的频率点附近有凸起区域。

[0069] 第五步，设计陷波器90；采用第四步对系统进行频率特性分析，可以看出由于加入第三步中的干扰观测器，系统频率特性引入了凸包区域，系统需要抑制该点，参照系统机械谐振抑制方法，设计陷波器90对该区域进行抑制，陷波器90的具体参数根据凸包区域最高点确定中心频率。

[0070] 为了减少第三步中凸起区域对系统的影响，参考机械谐振抑制方法，利用陷波器90的方法对该凸起区域进行抑制。陷波器90采用双T网络陷波器90：

[0071]

[0072] 双T网络陷波器90的中心频率点在ωn＝211.7rad/s，Avf＝1。

[0073] 采用陷波器90有效的抑制了干扰观测器引入的系统凸包，降低了系统超调量，提高了系统带宽。

[0074] 第六步，加入陷波器90后系统频率特性测试；对加入干扰观测器和陷波器90后的系统进行频率特性测试，可以采用扫频法或随机噪声法获得输入输出数据，对输入输出数据进行处理得到系统的频率特性曲线，对曲线进行分析，用于设计不完全微分PID控制器。

[0075] 具体的，采用随机噪声法测试系统频率特性，方法依照第二步，得到了系统的频率特性响应曲线如图9所示。可以看出系统在211.7rad/s的频率点附近区域加入陷波器90后，系统的凸起不存在，更好的有利于系统控制。

[0076] 第七步，设计不完全微分PID控制器；对第六步得到的频率特性曲线进行分析，根据分析结果设计不完全微分PID控制器；为了提高系统的快速性，需要加大PID中的P值，但是P值增大，则系统的超调量增大，微分能够有效降低系统的超调量，改善系统的动态性能，所以加入了不完全微分PID。

[0077] 具体的，为了提高系统的带宽，采用不完全微分PID控制器，不完全微分PID控制器传递函数如下：

[0078]

[0079] 控制器参数分别为比例系数为kp＝0.062，ki＝0.5，kd＝0.0002，N＝500。系统的阶跃响应为如图10所示，系统上升时间为24ms，超调为3％，满足要求。

[0080] 第八步，加入不完全微分PID控制器后速度闭环系统频率特性测试；对速度闭环系统进行频率特性测试，可以采用扫频法或随机噪声法获得输入输出数据，对输入输出数据进行处理得到系统的频率特性曲线，对曲线进行分析，用于评价系统速度环70特性。

[0081] 具体的，采用随机噪声法测试系统频率特性，方法依照第二步，得到了系统的频率特性响应曲线如图11所示。可以看出系统带宽为24Hz满足要求。

[0082] 第九步，设计位置环控制器；位置环采用比例控制器110，调节控制器参数得到满足性能指标的系统。由于已经采用了电流环和速度环70，为了避免控制两个具有级联部分的回路，所以位置环采用比例控制器110即可实现系统位置环稳定。

[0083] 具体的，位置环采用比例控制器110，比例系数为6.3，系统的阶跃输出如图12所示，可以看出位置环输出超调量小，稳态误差小于0.05°。为了验证导引头的抗扰性，在五轴转台上进行导引头性能测试实验。导引头实验装置原理框图如图13所示。导引头安装在三轴转台上，由安装在二轴转台上的激光模拟器产生目标信号，三轴仿真转台施加不同幅度不同频率的扰动模拟弹体扰动。定义隔离度描述系统抗扰性，隔离度J的定义为：ωout＝1.1为俯仰轴陀螺60输出角速度，ωb＝7×1×2π＝43.98弹体扰动角速度，角速度单位为°/s。给定幅值为7°频率为1Hz的弹体扰动时导引头输出角速度对比系统的隔离度输出如图13所示。隔离度为测试为2.5％，满足系统要求。

[0084] 实施例2

[0085] 半主动激光导引头系统示意图如图1所示，它包括光学系统10、激光探测器20、稳定平台30、偏航电机40等。其中光电稳定平台30中俯仰框性能通过采用本文提出的复合控制系统和控制方法进行验证。系统主要指标如下：系统的速度稳态最大误差小于0.2°；系统的隔离度在7°1Hz扰动输入下，隔离度小于等于5％；系统速度环70带宽不小于15Hz。

[0086] 导引头稳定平台30采用俯仰偏航双框架结构，导引头稳定平台30上安装有探测系统、陀螺60和角度传感器50。探测系统安装在导引头稳定平台30上作为载荷，陀螺60装于导引头稳定平台30上用来测定俯仰偏航的角速度、角度传感器50分别安装在俯仰偏航轴上用来测定角位移。具体的，陀螺60采用MEMS陀螺60，角度传感器50采用电位计。

[0087] 具体的，系统分为三环调试，即电流环、速度环70和位置环。其中电流环采用有刷电机PWM功率驱动芯片MSK4253实现电流闭环，电流环采用硬件实现，根据硬件芯片特性配置系数，实现电流闭环。系统进行装配和硬件连接后，对驱动芯片进行配置，实现电流环带宽为1000Hz以上。

[0088] 具体的，设计后电流环的带宽达到1300Hz。

[0089] 如图3所示，速度环70采用复合控制策略，其包括巴特沃斯滤波器、干扰观测器、陷波器90、不完全微分PID，位置环采用小积分PI控制器130(图中黑色虚线带箭头部分，表示了导引头特有的跟踪模式，如果是指令跟踪模式下就是采用电位计输出和指令作差生成位置控制器控制输入；如果是目标跟踪下，则是通过激光探测器20和数据处理后直接得到的脱靶量作为位置控制器的输入，此处实际上采用了两种模式，在以下的第九步中位置阶跃响应是指令跟踪模式，采用了电位计反馈；在隔离度测试时采用的是探测器处理模式，没有采用电位计反馈)。完成系统的装配工作和硬件连线工作后，该实施例的控制方法依照图4所示的流程图进行(以下方法中给出的都是模型的连续模型，在调试中需要采用双线性离散法进行离散，采样周期，速度环70为1ms，位置环为20ms)。

[0090] 实施例2的其余部分与实施例1一致，与实施例1的区别在于：第九步，设计位置环采用小积分PI控制器130。

[0091] 第九步，设计位置环控制器；位置环采用小积分PI控制器130，调节控制器参数得到满足性能指标的系统。由于已经采用了电流环和速度环70，为了避免控制两个具有级联部分的回路，所以位置环采用小积分PI控制器130即可实现系统位置环稳定。

[0092] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。