一种基于自适应扩张状态观测器和全局快速终端滑模的三轴惯性稳定平台高精度控制方法，涉及自适应扩张状态观测器和全局快速终端滑模的复合控制器设计。首先，根据三轴惯性稳定平台的状态方程，构建自适应扩张状态观测器，通过观测器带宽的自适应变化和对干扰估计偏差的自适应补偿，在保证快速性、超调小和噪声低的同时，实时估计未知的集总干扰；其次，设计全局快速终端滑模控制器，处理三轴惯性稳定平台的非线性、框架内外耦合和参数不确定性，并结合自适应扩张状态观测器对集总干扰的有效估计，替换掉高阶终端函数，降低抖振现象，进而实现复杂环境下的三轴惯性稳定平台高精度控制。本发明专利技术具有实时性好、动态参数响应快、对多源干扰适应性强等优点，可用于三轴惯性稳定平台在复杂多源干扰环境下的高精度控制等。平台在复杂多源干扰环境下的高精度控制等。平台在复杂多源干扰环境下的高精度控制等。
【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应扩张状态观测器和全局快速终端滑模的三轴惯性稳定平台高精度控制方法
[0001]本专利技术涉及基于自适应扩张状态观测器和全局快速终端滑模的三轴惯性稳定平台高精度控制方法，适用于航空测绘稳定平台高精度控制领域。
技术介绍
[0002]三轴吊舱平台通过基座固连于飞行载体，支撑并稳定遥感载荷，隔离飞行载体非理想姿态运动对遥感载荷视轴的影响来提高遥感载荷的成像质量，具有广泛的应用前景。
[0003]作为复杂的多框架耦合系统，三轴惯性稳定平台具有非线性、强耦合、控制难度高等特性。并且三轴惯性稳定平台在飞行过程中存在风扰、飞机发动机振动引起的基座角运动干扰、平台质心和运动成像载荷转轴中心不重合引起的不平衡力矩、稳定平台本身机械和电气构造不完善导致的耦合力矩和摩擦干扰力矩、陀螺和加计测量误差系统内扰，因此，三轴惯性稳定平台在扰动下的高精度控制是测绘系统的关键技术之一。
[0004]为提高性能，PID控制方法、鲁棒控制、智能控制、滑模控制方法等各类控制方法被用于三轴惯性稳定平台的高精度控制。PID控制器结构简单，但抗干扰能力差，三轴稳定平台的控制性能很容易受到外界干扰影响而降低。鲁棒控制可以较好地消除三轴惯性稳定平台在飞行过程中存在的模型参数不精确和外界干扰问题，但鲁棒控制具有实时性较差、动态参数响应慢的特性。通过大量的样本训练，神经网络可以实现非线性自适应控制，克服三轴惯性稳定平台所具有的模型不确定性，以及存在多源干扰等问题，实现高精度的姿态控制，但传统的神经网络需要大量的样本数据进行训练，具有实时性差的缺点。滑模变结构控制通过构建滑模面，使系统按照既定规则沿滑动模态运动，是一种有效的解决带有外部扰动以及不确定的非线性问题控制方法，对于存在严重非线性、外界干扰的系统具有不错的控制效果。但是滑模的弊端在于其切换函数，在外部干扰较大时，可能使系统产生抖振。
技术实现思路
[0005]本专利技术解决的技术问题是：针对三轴惯性稳定平台在执行任务时控制性能容易受到外界干扰影响的问题，提出一种基于自适应扩张状态观测器和全局快速终端滑模的三轴惯性稳定平台高精度控制方法，通过设计自适应扩张状态观测器，实时估计未知的集总干扰，构建全局快速终端滑模控制器，处理三轴惯性稳定平台的非线性、框架内外耦合和参数不确定性，并结合自适应扩张状态观测器对集总干扰的有效估计，替换掉高阶终端函数，降低抖振现象，进而实现复杂环境下的三轴惯性稳定平台高精度控制。
[0006]本专利技术的技术解决方案为：首先针对三轴惯性稳定平台动力学模型，通过设计自适应扩张状态观测器，并利用观测器带宽的自适应变化和对干扰估计偏差的自适应补偿，在保证快速性、超调小和噪声低的同时，实时估计未知的集总干扰，设计全局快速终端滑模控制器，处理三轴惯性稳定平台的非线性、框架内外耦合和参数不确定性，并结合自适应扩张状态观测器对集总干扰的有效估计，替换掉高阶终端函数，降低抖振现象；其实现步骤如
下：
[0007](1)针对三轴惯性稳定平台动力学模型，
[0008][0009]其中，ζ＝r时表示横滚通道，ζ＝p时表示俯仰通道，ζ＝a时表示航向通道，θ
dζ
为ζ轴期望角度，x
1ζ
＝θ
ζ
、x
2ζ
＝ω
ζ
分别为ζ轴实际角度、ζ轴实际角速度，u
ζ
为ζ轴控制电压，b
ζ
为ζ轴控制量增益，f
ζ
为ζ轴已知非线性函数，D
ζ
为ζ轴集总干扰，且其一阶导数有界；
[0010]为了降低未知扰动对三轴惯性稳定平台的影响，提高控制性能，设计自适应扩张状态观测器来在线估计集总干扰；
[0011]ζ轴自适应扩张状态观测器定义为：
[0012][0013]其中，分别为ζ轴角度估计值、ζ轴角速度估计值和ζ轴集总干扰估计值，e
1ζ
为ζ轴实际角度θ
ζ
与ζ轴角度估计值的误差，ω
Aζ
是ζ轴观测器带宽，其自适应时变表达式如下：
[0014][0015]式中，ω
Ahζ
为ζ轴观测器带宽上界，ω
Alζ
为ζ轴观测器带宽下界，δ
1ζ
＞0为ζ轴角度估计偏差增益，δ
2ζ
＞0为ζ轴角速度估计偏差增益；
[0016]ζ轴观测器带宽ω
Aζ
充分利用了三轴惯性稳定平台角度和角速度信息来降低观测器估计曲线的峰值，并可以不引入过多的噪声；
[0017]为了进一步提高自适应扩张状态观测器对扰动的估计精度，定义ζ轴自适应集总干扰估计补偿其自适应律表达式为：
[0018][0019]其中，是ζ轴自适应函数，ε
maxζ
是ζ轴集总干扰估计偏差上边界，ε
minζ
是ζ轴集总干扰估计偏差下边界；
[0020]ζ轴自适应律通过投影映射关系，不仅保证了ζ轴自适应集总干扰估计补偿的自适应实时变化，也保证了始终满足
[0021](2)针对三轴惯性稳定平台的非线性、框架内外耦合和参数不确定性，设计全局快速终端滑模控制器，并结合自适应扩张状态观测器对集总干扰的有效估计，替换掉高阶终端函数，降低抖振现象，实现复杂环境下的三轴惯性稳定平台高精度控制；
[0022]ζ轴全局快速终端滑动模态、ζ轴基于自适应扩张状态观测器和全局快速终端滑模控制律以及ζ轴自适应函数表达式分别为：
[0023][0024][0025][0026]其中，s
1ζ
为ζ轴高阶滑动模态，e
ζ
为ζ轴跟踪误差，k
eζ
＞0为ζ轴跟踪误差增益，α
0ζ
＞0，β
0ζ
＞0，q
0ζ
和p
0ζ
都是正奇数且满足p
0ζ
＞q
0ζ
，k
sζ
＞0是ζ轴高阶滑动模态增益，γ
εζ
是ζ轴学习速率；
[0027]ζ轴基于自适应扩张状态观测器和全局快速终端滑模控制律u
ζ
中，将高阶终端函数替换成自适应扩张状态观测器对集总干扰的估计项降低了抖振现象，提高了三轴惯性稳定平台的控制精度。
[0028]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0029](1)本专利技术针对三轴惯性稳定平台系统模型耦合强，未知外界扰动多的特性，通过设计自适应扩张状态观测器，实时估计未知的集总干扰，利用全局快速终端滑模控制器，处理三轴惯性稳定平台的非线性、框架内外耦合和参数不确定性，并结合自适应扩张状态观测器对集总干扰的有效估计，替换掉高阶终端函数，降低抖振现象，进而实现复杂环境下的三轴惯性稳定平台高精度控制，不仅具有结构简单和控制方便的特性，同时具有抗干扰能力强的特点；
[0030](2)本专利技术构造的自适应扩张状态观测器既继承了非线性扩张状态观测器和线性扩张状态观测器的优点本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于自适应扩张状态观测器和全局快速终端滑模的三轴惯性稳定平台高精度控制方法，其特征在于实现以下步骤：针对三轴惯性稳定平台动力学模型，ζ＝r,p,a其中，ζ＝r时表示横滚通道，ζ＝p时表示俯仰通道，ζ＝a时表示航向通道，θ
dζ
为ζ轴期望角度，x
1ζ
＝θ
ζ
、x
2ζ
＝ω
ζ
分别为ζ轴实际角度、ζ轴实际角速度，u
ζ
为ζ轴控制电压，b
ζ
为ζ轴控制量增益，f
ζ
为ζ轴已知非线性函数，D
ζ
为ζ轴集总干扰，且其一阶导数有界；针对三轴惯性稳定平台各种未知的内外部扰动，将其看成集总干扰，设计自适应扩张状态观测器，实现对集总干扰的实时在线估计；针对三轴惯性稳定平台的非线性、框架内外耦合和参数不确定性，设计全局快速终端滑模控制器，实现复杂环境下的三轴惯性稳定平台高精度控制。2.根据权利要求1所述的自适应扩张状态观测器，其特征在于：自适应扩张状态观测器观测带宽自适应变化，充分利用三轴惯性稳定平台角度和角速度信息来降低观测器估计曲线的峰值，并且不引入过多的噪声，除此之外，通过对干扰估计偏差的自适应补偿来进一步提高自适应扩张状态观测器对集总干扰估计的快速性和准确性，进而提高系统对扰动的鲁棒性；ζ轴自适应扩张状态观测器定义为：其中，分别为ζ轴角度估计值、ζ轴角速度估计值和ζ轴集总干扰估计值，e
1ζ
为ζ轴实际角度θ
ζ
与ζ轴角度估计值的误差，ω
Aζ
是ζ轴观测器带宽，其自适应时变表达式如下：式中，ω
Ahζ
为ζ轴观测器带宽上界，ω
Alζ
为ζ轴观测器带宽下界，δ
1ζ
＞0为ζ轴角度估计偏差增益，δ
2ζ
＞0为ζ轴角速...
【专利技术属性】
技术研发人员：雷旭升，付发，王锐，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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