[发明专利]一种采用自抗扰控制技术的船载摄像稳定平台控制方法

摘要

一种基于自抗扰控制技术的船载摄像稳定平台控制方法。包括以下步骤：1)建立船载摄像稳定平台控制系统的离散时间状态空间模型；2)设计跟踪微分器，使摄像稳定平台的转动角度尽可能快而无超调地跟踪上参考角度；3)设计扩张状态观测器，估计出摄像稳定平台的转动角度、转动角速度、转动角加速度以及总和扰动；4)根据跟踪微分器和扩张状态观测器的输出获得角度、角速度、角加速度的跟踪误差，进而根据这些误差信息设计非线性控制律和扰动补偿策略。本发明不仅能保证摄像稳定平台的跟踪精度和跟踪的快速性，又具有强抗干扰能力。

主权项

一种采用自抗扰控制技术的船载摄像稳定平台控制方法，所述方法包括如下步骤：步骤(1)、通过分析方位、俯仰和横滚三个方向子系统的组成，建立船载摄像稳定平台控制系统模型，摄像稳定平台的各方向子系统均由PWM驱动器、功率放大器、步进电机和传动机构组成，串联后所得的摄像稳定平台各方向子系统的三阶传递函数模型是：θ(s)u(s)=bs3+a2s2+a1s---(1)]]>其中，R为电枢回路总电阻，L为电枢回路的电感，Ce为电动势系数，Cm为电机额定励磁下的转矩系数，J为电机的转动惯量，Kα为功放的传递函数，i是传动机构的减速比，θ(s)为电机转角的拉氏变换，u(s)为导通电压的拉氏变换；进一步，将传递函数模型(1)转换为如下状态空间模型：x·1(t)=x2(t)x·2(t)=x3(t)x·3(t)=-a1x2(t)-a2x3(t)+bu(t)---(2)]]>其中，x1(t)为摄像稳定平台的转角，x2(t)为摄像稳定平台的转动角速度，x3(t)为摄像稳定平台的转动角加速度，u(t)为控制量，即导通电压；将状态空间模型(2)以采样周期T离散化得到如下离散化的状态空间模型：x1(k+1)=x1(k)+Tx2(k)x2(k+1)=x2(k)+Tx3(k)x3(k+1)=x3(k)+T[-a1x2(k)-a2x3(k)+bu(k)]---(3)]]>步骤(2)、为参考角度安排过渡过程并设计跟踪微分器，使摄像稳定平台转动角度尽可能快而无超调地跟踪上参考角度，参考角度的过渡过程信号及其微分跟踪器按如下方程给出：v1(k+1)=v1(k)+hv2(k)v2(k+1)=v2(k)+hv3(k)v3(k+1)=v3(k)+hfsfs=-r(r(r(v1(k)-θ(k))+3v2(k))+3v3(k))---(4)]]>其中，v1(k)是对摄像稳定平台的转动参考角度安排的过渡过程信号，v2(k)和v3(k)分别是此过渡过程信号的近似一阶微分信号和近似二阶微分信号，fs为快速综合函数，r为快速跟踪因子，与过渡过程达到稳态值想要的时间成反比，且受系统承受能力制约，取值不可太大，h为积分步长，一般取系统的采样周期T；步骤(3)、设计扩张状态观测器，获得摄像稳定平台的转角、角速度、角加速度以及总和扰动量的估计值，对于如式(3)所示的摄像稳定平台离散时间系统模型，令x4(k)＝‑a1x2(k)‑a2x3(k)作为扩张出的新的状态变量，并记那么状态扩张后的摄像稳定平台离散时间系统模型是：x1(k+1)=x1(k)+Tx2(k)x2(k+1)=x2(k)+Tx3(k)x3(k+1)=x3(k)+T[x4(k)+bu(k)]x4(k+1)=x4(k)+Tw(k)---(5)]]>系统(5)的扩张状态观测器是：e(k)=z1(k)-x1(k)fe=fal(e(k),α1,δ)fe1=fal(e(k),α2,δ)fe2=fal(e(k),α3,δ)z1(k+1)=z1(k)+h(z2(k)-β01e(k))z2(k+1)=z2(k)+h(z3(k)-β02fe)z3(k+1)=z3(k)+h(z4(k)-β03fe1+b0u(k))z4(k+1)=z4(k)+h(-β04fe2)---(6)]]>其中，e(k)是摄像稳定平台转动角度估计值与实际转动角度的差，z1(k)是摄像稳定平台实际转动角度x1(k)的估计值，z2(k)是摄像稳定平台转动角速度x2(k)的估计值，z3(k)是摄像稳定平台转动角加速度x3(k)的估计值，z4(k)是扩张状态变量x4(k)即系统总和扰动的估计值，b0是对状态空间模型(2)中b的估计值，h是积分步长，fal(e(k),αi,δ)是一非线性函数，具体表达式如下:fal(e(k),αi,δ)=e(k)δ1-αi,|e(k)|≤δ|e(k)|αisign(e(k)),|e(k)|>δ---(7)]]>其中，αi为幂指数，在扩张状态观测器中一般取δ为线性段的区间长度，sign()为符号函数，并具有如下形式：sign(x)=1,x>00,x=0-1,x<0---(8)]]>β0i、δ为一组待整定参数，i＝1,...,4，一般取δ＝kh，k为整数，步骤(4)、根据扩张状态观测器和跟踪微分器的输出获得摄像稳定平台的转角、角速度、角加速度的跟踪误差，将这些误差信号通过非线性组合获得误差反馈控制律，基于该控制律并通过总和扰动的动态线性化补偿达到参考角度快速跟踪和抑制内外扰动的目的，根据步骤(3)中的扩张状态观测器和步骤(2)中的跟踪微分器的输出可得到如下误差信号：e1(k)=v1(k)-z1(k)e2(k)=v2(k)-z2(k)e3(k)=v3(k)-z3(k)---(9)]]>其中，e1(k)是摄像稳定平台的转角跟踪误差，e2(k)是摄像稳定平台的角速度跟踪误差，e3(k)是摄像稳定平台的角加速度跟踪误差，这些误差量经过非线性组合得到误差反馈控制律u0，其中βi和αi是待整定的参数，一般地α1＝0.75，α2＝1.25，α3＝1.75，βi为各误差的反馈增益，可参考PD控制增益进行调节；将由步骤(3)获得的总和扰动的估计值z4(k)通过形如的补偿过程得到最终的控制量u(k)，那么如式(5)所示的摄像稳定平台离散状态空间模型转化为：x1(k+1)=x1(k)+Tx2(k)x2(k+1)=x2(k)+Tx3(k)x3(k+1)=x3(k)+Tu0(k)---(10)]]>如此，摄像稳定平台控制系统的总和扰动被补偿消除，成为不含扰动项的积分串联型系统，从而达到抑制内外扰动的目的。