Luenberger觀測器與LADRC在穩(wěn)瞄系統(tǒng)中的應(yīng)用

Luenberger觀測器與LADRC在穩(wěn)瞄系統(tǒng)中的應(yīng)用王永宏;范大鵬;薛生輝;王玉華;張紅梅【摘要】針對穩(wěn)瞄系統(tǒng)的性能有一定改進(jìn)空間，而對象機(jī)械特性又改善受限的問題，試圖從電氣控制角度尋求更好的解決方法.為此，以某上反穩(wěn)瞄系統(tǒng)為平臺(tái)，對Luenberger觀測器和LADRC（線性自抗擾控制器）兩種能提高系統(tǒng)性能的先進(jìn)控制算法進(jìn)行了半實(shí)物仿真研究.首先，介紹了Luenberger觀測器和LADRC的基本原理.其次，對某上反穩(wěn)瞄系統(tǒng)的對象特性進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了基于兩種控制模型的控制器參數(shù).然后，運(yùn)用MATLAB/Simulink工具和dSPACE半實(shí)物仿真系統(tǒng)，對某上反穩(wěn)瞄系統(tǒng)進(jìn)行了兩種控制算法的對比研究.Luenberger觀測器的控制性能相對較好,受噪聲的影響，離工程實(shí)現(xiàn)還有一段距離.如何有效抑制噪聲有待進(jìn)一步研究.%Thereisacertainroomforimprovementinperformanceforstabilizedsightingsystem.However,toimprovethemechanicalpropertiesoftheobjectislimited.Soitisconductedthattryingtofindabettersolutionfromtheperspectiveofelectricalcontrol.TwoadvancedcontrolalgorithmsofLuenbergerobserverandlinearactivedisturbancerejectioncontrolareexpectedtoimprovesystemperformance.Thispaperpresentsthesemi-physicalsimulationofbothalgorithmsonsomestabilizedsightingsystem.Firstly,introducedthebasicprincipleofLuenbergerobserverandLADRC.Secondly,objectpropertiesofthesightingsystemareanalyzedandtwokindsofcontrolleraredesigned.Then,acomparativestudyoftwocontrolalgorithmsonthesightingsystemwascarriedoutbyusingMATLAB/SimulinktoolsanddSPACEhardware-in-the-loopsimulationsystem.ControlperformanceofLuenbergerobserverisbetter,Affectedbynoise,itisstillsomedistanceawayfromtheprojectrealization.Thus,howtoeffectivelysuppressnoisebecomesthefurtherstudy.【期刊名稱】《火力與指揮控制》【年(卷)，期】2017(042)002【總頁數(shù)】5頁(P92-96)【關(guān)鍵詞】Luenberger觀測器;LADRC;dSPACE;半實(shí)物仿真【作者】王永宏;范大鵬;薛生輝;王玉華漲紅梅【作者單位】國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，長沙410073;北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006;國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，長沙410073;北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006;北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006;北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006【正文語種】中文【中圖分類】TP273瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定技術(shù)是坦克裝甲火控系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)［1］，決定著整個(gè)火控系統(tǒng)的性能，但目前國內(nèi)的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定性能距國外還有一定差距，尤其在載體高機(jī)動(dòng)條件下。國外在20世紀(jì)90年代末就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式穩(wěn)瞄系統(tǒng)，瞄線穩(wěn)定精度可以達(dá)到0.05mrad，而我國現(xiàn)在仍未達(dá)到這個(gè)水平。故提升穩(wěn)瞄系統(tǒng)的性能是當(dāng)下工程人員著重探究的問題。穩(wěn)瞄系統(tǒng)的控制性能主要決定于被控對象機(jī)械特性和電氣控制手段。目前，由于受材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工工藝等因素制約，被控對象機(jī)械特性的改善空間有限，只能從電氣控制上尋求突破。DSP技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得一些先進(jìn)控制方法的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用成為可能，為穩(wěn)瞄系統(tǒng)性能改進(jìn)提供了有效的技術(shù)途徑。經(jīng)研究分析，自抗擾控制、Luenberger觀測器從原理上可以提高系統(tǒng)的性能，相對易于實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)數(shù)字化的發(fā)展，有望在穩(wěn)瞄系統(tǒng)中得到應(yīng)用。本文以某上反穩(wěn)瞄系統(tǒng)的高低回路為研究對象，以半液浮速率陀螺為慣性敏感元件，應(yīng)用MATLAB/Simulink的系統(tǒng)建模方法［2］和dSPACE半實(shí)物仿真系統(tǒng)［3-4］,通過離線和半實(shí)物仿真試驗(yàn)，對比研究了Luenberger觀測器和LADRC的控制性能。Luenberger觀測器通過引入功率放大器輸出和傳感器輸出作為觀測器小閉環(huán)的輸入，建立被控對象和傳感器的估計(jì)模型，構(gòu)成擾動(dòng)前饋控制，補(bǔ)償傳感器相位滯后、實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)的隔離以及對參數(shù)估計(jì)不準(zhǔn)確的魯棒適應(yīng)性［5］。1.1原理及結(jié)構(gòu)Luenberger觀測器控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。其中虛線框部份即為觀測器部分。其中：Gc(s)為系統(tǒng)控制器；Gpc(s)為功率放大器；Gp(s)為被控對象；Gs(s)為反饋傳感器；GpEst(s)為估計(jì)被控對象模型；GsEst(s)為估計(jì)反饋傳感器模型；Gco(s)為觀測器控制器；KDD為擾動(dòng)隔離因子；R(s)為指令輸入；Pc(s)為功率放大器輸出；D(s)為擾動(dòng)；C(s)為實(shí)際狀態(tài)；Y(s)為實(shí)際傳感器輸出；N(s)為噪聲；Z(s)為包含噪聲的傳感器輸出；Co(s)為觀測狀態(tài)；Yo(s)為估計(jì)傳感器輸出；Eo(s)為觀測誤差；Do(s)為觀測擾動(dòng)。1.2擾動(dòng)隔離圖1加入KDD后可以實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)隔離，其擾動(dòng)響應(yīng)［6］(暫不考慮噪聲)為：當(dāng)時(shí)，原理上可以對擾動(dòng)達(dá)到有效的隔離，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。自抗擾控制(ADRC)是一種不依賴于系統(tǒng)模型的新型非線性控制技術(shù)，利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ESO），不僅得到不確定對象的狀態(tài)，同時(shí)獲得對象模型中的內(nèi)擾和外擾的實(shí)時(shí)作用量，使閉環(huán)系統(tǒng)能夠自動(dòng)補(bǔ)償對象模型的內(nèi)擾和外擾，使其變?yōu)榫€性系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)積分器串聯(lián)型［7-8］。自抗擾控制器通常采用非線性函數(shù)設(shè)計(jì)，給系統(tǒng)穩(wěn)定性的證明及參數(shù)選定帶來了困難，不易實(shí)現(xiàn)。為此在假設(shè)二階線性系統(tǒng)基礎(chǔ)上，自抗擾控制器采用簡化的線性自抗擾控制器（LADRC），并將各變量對應(yīng)于明確的物理意義，使得建模仿真簡單直觀［9］。二階線性系統(tǒng)的微分方程為：，，記為系統(tǒng)內(nèi)擾和外擾的綜合作用，，則有。對應(yīng)的二階線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間形式為：因此，相應(yīng)的線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（LESO）為：記為觀測器增益量，則：LADRC的控制量為：；PD控制器為：。系統(tǒng)的控制量為：由式（3）可得二階線性自抗擾控制器的框圖，如圖2所示。其中，Z1為廣義位置觀測狀態(tài)估計(jì)；Z2為廣義速度觀測狀態(tài)估計(jì)；Z3為廣義加速度觀測狀態(tài)估計(jì)；kp等效為PD控制器的比例增益；kd等效為PD控制器的微分增益；因?yàn)槭剑?）為計(jì)算式，在框圖中LESO用一黑盒子表示，故不便于與物理變量對應(yīng)理解和應(yīng)用MATLAB仿真研究。為此，現(xiàn)將式（2）寫成微分方程的形式，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，得到如下方程和框圖。拉氏變換可得：由上推導(dǎo)可知控制器的設(shè)計(jì)不依賴于對象的模型，需要設(shè)計(jì)及可調(diào)節(jié)的參數(shù)只有b0邛1邛2邛3。以某上反穩(wěn)瞄系統(tǒng)中的高低向回路為研究對象，采用速率陀螺反饋，分別用Luenberger觀測器和LADRC設(shè)計(jì)穩(wěn)定系統(tǒng)。采用速率陀螺穩(wěn)瞄系統(tǒng)簡化框圖如下：3.1被控對象特性Gpc功率放大器具有電流環(huán)時(shí)，其傳遞函數(shù)可近似為：其中，KI-V為電流環(huán)反饋系數(shù)；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：兒=15.79g-cm-s2;電機(jī)力矩常數(shù)：KT=2040g-cm/A;速率陀螺傳遞函數(shù)：電流環(huán)反饋電流到電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)：系統(tǒng)被控對象傳遞函數(shù)為：Luenberger觀測器穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)總體對系統(tǒng)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)常規(guī)控制器Gc(s)(采用常規(guī)超前滯后法)，確定整個(gè)系統(tǒng)的帶寬為：3b=200rad/s;設(shè)計(jì)觀測器補(bǔ)償器Gco(s),遵循以下原則：觀測器小閉環(huán)應(yīng)有足夠的穩(wěn)定裕度，保證較好的階躍響應(yīng)；觀測器帶寬3b0243b，盡可能使開環(huán)增益K(1)足夠大，但要保證在滿足KDD=0時(shí)，系統(tǒng)帶寬、精度及噪聲敏感度與Gc(s)單獨(dú)控制時(shí)接近。擾動(dòng)隔離因子KDD確定，當(dāng)時(shí)，能很好地實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)隔離，故選KDD=KI-V=2;最終設(shè)計(jì)的常規(guī)控制器Gc(s)為：觀測器補(bǔ)償器Gco(s)為：LADRC穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)將圖3等效成傳遞函數(shù)框圖如下：圖中，Gf(s)為預(yù)濾波器，Gc(s)為控制器。設(shè)計(jì)步驟及原則［10-14］：①LADRC穩(wěn)定控制系統(tǒng)的帶寬近似常規(guī)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的帶寬3b。LESO帶寬30253b,一般取3o=53b~103b。參數(shù)設(shè)計(jì)［15］，將圖5中系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)為無零點(diǎn)的二階系統(tǒng)。將預(yù)濾波器的特征值都配置在30處，參數(shù)選取為：其中：3b和30為系統(tǒng)和觀測器的帶寬乂為閉環(huán)系統(tǒng)傳函的阻尼比，為了簡化計(jì)算本例Z選為1。b0為補(bǔ)償系數(shù)，為系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)控制輸入的放大系數(shù)的近似值，初值的選取按下式進(jìn)行：其中ki為電流環(huán)增益，m為電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，兒為負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，RE為電機(jī)內(nèi)阻，KT為電機(jī)力矩常數(shù)，KE為電機(jī)反電動(dòng)勢系數(shù)。終值確定要通過MATLAB離線仿真進(jìn)行，調(diào)整b0使系統(tǒng)得到良好性能時(shí)的值為最終的b0值。為了保證LADRC穩(wěn)定控制系統(tǒng)與Luenberger觀測器穩(wěn)定控制系統(tǒng)的帶寬相近，經(jīng)過仿真設(shè)計(jì)最終確定：4.1離線仿真在MATLAB7.0中對以上設(shè)計(jì)的兩種系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對比研究Luenberger觀測器和LADRC的性能，見圖6~圖9所示。通過表1對比可以得出LADRC控制系統(tǒng)的開環(huán)增益、相角裕度、超調(diào)、剛度、響應(yīng)時(shí)間都比Luenberger觀測器穩(wěn)定控制系統(tǒng)小，應(yīng)證了LADRC穩(wěn)定控制系統(tǒng)相對超調(diào)小、響應(yīng)快、魯棒性好、精度較低，而Luenberger觀測器穩(wěn)定控制系統(tǒng)相對超調(diào)大、響應(yīng)慢、穩(wěn)定精度高的特點(diǎn)。應(yīng)該指出，由于離線仿真沒有考慮噪聲對系統(tǒng)的影響，因此，上述結(jié)果相對理想，系統(tǒng)所能達(dá)到穩(wěn)定精度的驗(yàn)證，以及對系統(tǒng)噪聲的處理要在半實(shí)物仿真過程中完成。4.2半實(shí)物仿真4.2.1半實(shí)物仿真系統(tǒng)簡介半實(shí)物仿真系統(tǒng)由3部分組成：①控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)MATLAB/Simulink;②dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)；③夕卜部真實(shí)設(shè)備（功放單元和控制對象）。其中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)MATLAB/Simulink和dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)用于構(gòu)建仿真控制器。系統(tǒng)組成示意圖如圖10所示。4.2.2半實(shí)物仿真試驗(yàn)及結(jié)果基于上述dSPACE系統(tǒng)和MATLAB6.5.1軟件，控制算法和邏輯控制在MATLAB/Simulink中實(shí)現(xiàn)，其他利用某產(chǎn)品的實(shí)際單元，構(gòu)建了高低回路的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，并通過ControlDesk設(shè)計(jì)了系統(tǒng)邏輯控制（含電磁鐵解脫、功放電源使能、高低解鎖、工作狀態(tài)切換等邏輯）和算法切換驗(yàn)證的交互界面，很好地實(shí)現(xiàn)了半實(shí)物仿真。最后將穩(wěn)瞄系統(tǒng)置于搖擺臺(tái)上，用自準(zhǔn)直儀觀測高低向瞄線的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)跳動(dòng)情況，以此得到瞄線的穩(wěn)定精度。同時(shí)監(jiān)測陀螺速率輸出和控制器輸出，考察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)、動(dòng)態(tài)精度和噪聲影響。其中，動(dòng)態(tài)搖擺條件為±5°,1Hz。仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖11~圖13和表2所示。由表2可知，Luenberger觀測器穩(wěn)定控制系統(tǒng)和LADRC穩(wěn)定控制系統(tǒng)靜態(tài)噪聲水平相當(dāng)，LADRC穩(wěn)定控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)噪聲大，響應(yīng)快，而Luenberger觀測器穩(wěn)定控制系統(tǒng)的精度高，與離線仿真一致，但LADRC超調(diào)大，與離線仿真有差異，分析主要是由于被控對象的機(jī)械特性及電氣噪聲等原因造成的。在半實(shí)物仿真試驗(yàn)中，對電氣噪聲的處理引入了帶阻濾波器和二階低通濾波器，其中帶阻濾波器用來處理傳感器信號(hào)，二階低通濾波器用來對控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，達(dá)到了較好效果。以某上反平臺(tái)為對象，用半實(shí)物仿真對Luenberger觀測器和LADRC進(jìn)行了對比研究。LADRC原理上實(shí)際是采用了全狀態(tài)反饋，存在噪聲放大的問題，它的調(diào)節(jié)參數(shù)少，但參數(shù)一般都很大，存在計(jì)算量大，不宜精確整定的問題。Luenberger觀測器雖參數(shù)易調(diào)節(jié)，但也是存在噪聲放大的問題?？傮w而言，Luenberger觀測器的動(dòng)態(tài)噪聲比LADRC小0.05V，超調(diào)量也小71.06%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間長0.1s。由于離線仿真用的模型都是近似處理后的理想模型，與實(shí)際系統(tǒng)被控對象及電氣控制回路的特性存在一定差異，故無論是半實(shí)物仿真還是實(shí)際系統(tǒng)，都不可能達(dá)到離線仿真的效果。為達(dá)到工程實(shí)現(xiàn)還需對有效抑制噪聲等方面做更深入的研究?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】[1]孫皓澤，常天慶，謝杰，等.基于修正因子的模糊PID控制在裝甲車輛穩(wěn)瞄系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].光電子技術(shù)，2014,34(4):273-277.[2]樓順天，于衛(wèi).基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)一控制系統(tǒng)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.[3]胥青青，吳玉敬，張璟玥，等.基于dSPACE平臺(tái)的穩(wěn)瞄控制系統(tǒng)建模方法研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2011,32(11):1423-1427.[4]潘峰，薛定宇，徐心和.基于dSPACE半實(shí)物仿真技術(shù)的伺服控制研究與應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004,16(5):936-939.[5]ELLISG.Observersincontrolsystems—apracticalguide[M].USA:AcademicPres