一种基于自耦PI内模控制器的光电吊舱控制方法技术

一种基于自耦PI内模控制器的光电吊舱控制方法，涉及高精度跟踪控制领域。解决现有PID抗扰性能受到带宽限制，难以满足高性能需求，自抗扰等高端算法虽性能优异，但参数整定复杂等问题，本发明专利技术以两轴两框架光电吊舱为控制对象，构建基于自耦PI内模控制器的控制系统，包括用于规定系统期望输出轨迹的内模控制律，以及用于补偿建模误差、系统内扰及外扰的自耦PI控制器。本发明专利技术将自耦PI与内模控制结合，在保证系统动态特性的同时，大幅提高抗扰能力，降低系统稳态误差，提高了光电吊舱视轴稳定精度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自耦PI内模控制器的光电吊舱控制方法


[0001]本专利技术涉及高精度跟踪控制领域，具体涉及一种基于自耦PI内模控制器的光电吊舱控制方法。

技术介绍

[0002]光电吊舱广泛用于航空领域，用于实现对目标的搜索、捕获、跟踪、侦察等功能。由于其工作环境较恶劣，常存在风阻力矩、载体姿态变化干扰、质量不平衡力矩等扰动作用，使得吊舱视轴稳定精度降低，影响成像质量，因此，提高吊舱的抗扰能力是提升其性能的关键。目前，工程上常采用被动隔振来隔离高频扰动，采用PID、自抗扰控制、滑模控制、分数阶控制、内模控制等先进的控制算法来主动隔离低频扰动，然而，传统的PID抗扰性能受到带宽限制，难以满足高性能需求，自抗扰等高端算法虽性能优异，但参数整定复杂，且大多数控制算法在设计参数时需要折中考虑系统的动态特性与抗扰性能。

技术实现思路

[0003]本专利技术为解决现有PID抗扰性能受到带宽限制，难以满足高性能需求，自抗扰等高端算法虽性能优异，但参数整定复杂等问题，提供一种基于自耦PI内模控制器的光电吊舱控制方法。
[0004]一种基于自耦PI内模控制器的光电吊舱控制方法，该方法具体实现过程为：
[0005]该方法通过构建基于自耦PI内模控制器的控制系统实现，具体实现过程为：
[0006]将光电吊舱的方位轴速度环作为控制对象，建立传递函数模型为：
[0007][0008]式中，s为拉普拉斯算子，T为时间常数，b0为增益；
[0009]设定系统期望输出轨迹的内模控制律，用下式表示为：<br/>[0010][0011]式中，λ为滤波因子，C(s)为内模控制器，f(s)为低通滤波器，Gn(s)为被控对象名义模型；
[0012]修正系统输出预定轨迹的自耦PI控制律，用下式表示为：
[0013][0014]式中，y为系统输出轨迹，y
d
为系统输出预定轨迹，e1为轨迹跟踪误差，e0为e1的积分，Z
c
为待调参数，k0为常数且k0＝b0/T。
[0015]进一步地，所述控制系统包括用于规定系统期望输出轨迹的内模控制器，以及用于补偿建模误差、系统内扰及外扰的自耦PI控制器；
[0016]所述自耦PI控制器输出的控制信号u2对内模控制器产生的控制信号u1进行修正，保证系统按照预定轨迹输出。
[0017]进一步地，将两轴两框架的光电吊舱作为控制对象。
[0018]本专利技术的有益效果：本专利技术方法中，以两轴两框架光电吊舱为控制对象，构建基于自耦PI内模控制器的控制系统，包括用于规定系统期望输出轨迹的内模控制律，以及用于补偿建模误差、系统内扰及外扰的自耦PI控制器。本专利技术将自耦PI与内模控制结合，在保证系统动态特性的同时，大幅提高抗扰能力，降低系统稳态误差，提高了光电吊舱视轴稳定精度。
[0019]本专利技术所述的控制方法，该方法参数整定简单，且可单独设计系统的期望动态特性和扰动补偿能力，可保证系统在不失快速性的前提下具备较高的抗扰性能。以实现吊舱的快速性和高视轴稳定精度的要求。
附图说明
[0020]图1为本专利技术所述的一种基于自耦PI内模控制器的光电吊舱控制方法的原理框图；
[0021]图2为向系统施加幅值为1
°
/s的阶跃参考信号时，系统输出响应示意图；
[0022]图3为三种控制器的控制量的示意图；
[0023]图4为扰动残差曲线示意图；
[0024]图5为控制量的示意图；
[0025]图6为模型增益摄动阶跃响应效果图。
具体实施方式
[0026]具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，一种基于自耦PI内模控制器的光电吊舱控制方法，该方法的具体过程为：
[0027]选择某型两轴两框架光电吊舱，其包含方位和俯仰两个轴系，采用直流力矩电机驱动，采用光纤陀螺采集角速度信号，采用旋转变压器采集位置信号。由于两轴系正交，耦合影响可忽略，控制方法相似，且扰动主要作用于速度环，故以方位轴速度环为控制对象，传递函数模型为其中s为拉普拉斯算子，T为时间常数，b0为增益。本实施方式中，b0＝12.631，T＝0.534。
[0028]构建基于自耦PI内模控制器的控制系统，如图1所示，r为参考输入，y为输出，y
d
为系统输出预定轨迹，e1为轨迹跟踪误差，f(s)为低通滤波器，C(s)为内模控制器，SC
‑
PI为自耦PI控制器，d为作用在系统上的等效总扰动，G
n
(s)为被控对象名义模型。无建模误差及扰动作用情况下，其中，内模控制律如下：
[0029][0030]其中λ为滤波因子。修正系统轨迹的自耦PI控制律如下：
[0031][0032]其中e0为e1的积分，Z
c
为待调参数，决定了轨迹跟踪误差趋于0的速度，k0为常数且k0＝b0/T。
[0033]具体实施方式二、结合图2至图6说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种基于自耦PI内模控制器的光电吊舱控制方法的实施例：
[0034]为验证具体实施方式一所述方法的有效性，将基于自耦PI的IMC控制器(IMCwithSC
‑
PI)与传统PI控制器、内模控制器(IMC)进行了扰动抑制对比实验。为了保证实验的公平性，三种控制器的参数选择原则为：在三种控制器控制下，系统具有相同的动态特性。参数选择如下：PI控制器：比例增益P＝4.216，积分增益I＝7.351；IMC控制器：滤波因子λ＝0.01，G
n
(s)＝G(s)；基于自耦PI的IMC控制器：Z
c
＝40，k0＝23.6。
[0035]如图2至图5所示，进行扰动抑制实验；
[0036]给系统施加幅值为1
°
/s的阶跃参考信号，并在1s时加入1Nm的力矩扰动信号，系统输出响应如图2所示，三种控制器的控制量如图3所示。可见三种控制器控制下系统的动态特性相同，但是有扰动作用时，所提方法能够更快地做出反应，产生相应的控制量来补偿扰动。
[0037]给定系统输入为0，同时施加幅值1Nm，频率为2hz的正弦力矩扰动，图4为残差曲线，PI控制下扰动残差RMS值为0.1646，内模控制下扰动残差RMS值为0.1641，所提方法控制下扰动残差RMS值为0.0147。图5为控制量，可见所提方法控制信号相位要超前于PI、内模控制，也就是能更快地补偿扰动。
[0038]如图6所示，进行模型摄动鲁棒性实验；
[0039]给定1
°
/s阶跃参考信号，针对所提方法，进行了模型增益摄动
±
20％情况下的鲁棒性实验，结果如图6所示。由图6可见，增益摄动情况下系统会有小幅度超调，但很快会达到稳定状态，总的动态特性没有大的改变，由此本实施方式所述方法具有较强的鲁棒性。
[0040]以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自耦PI内模控制器的光电吊舱控制方法，其特征是：该方法通过构建基于自耦PI内模控制器的控制系统实现，具体实现过程为：将光电吊舱的方位轴速度环作为控制对象，建立传递函数模型为：式中，s为拉普拉斯算子，T为时间常数，b0为增益；设定系统期望输出轨迹的内模控制律，用下式表示为：式中，λ为滤波因子，C(s)为内模控制器，f(s)为低通滤波器，Gn(s)为被控对象名义模型；修正系统输出预定轨迹的自耦PI控制律，用下式表示为：式中，y为系统输出轨迹，y
d
为系统输出预定轨迹，e1为轨迹跟踪误...

【专利技术属性】
技术研发人员：马帅，张柯，张刘，
申请(专利权)人：苏州吉天星舟空间技术有限公司，
类型：发明
国别省市：