一種導引頭穩(wěn)定平臺參數(shù)化自適應前饋控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于導彈制導的技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種用于提高導引頭的跟蹤精度和 擾動抑制能力的，導引頭穩(wěn)定平臺參數(shù)化自適應前饋控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在導彈攔截目標過程中，由于導引頭安裝在彈體前端，彈體的角運動和質(zhì)心運動， 以及外部載荷如風、氣流等引起的擾動力矩會通過多種方式耦合到導引頭。因此，視線穩(wěn)定 與跟蹤在一定程度上要受彈體運動的影響。為實現(xiàn)可靠、高精度的目標跟蹤，必須采用穩(wěn)定 平臺來隔離彈體運動。大多數(shù)導引頭穩(wěn)定平臺采用速率陀螺作為反饋原件，利用速率陀螺 測量視軸在俯仰和偏航方向的慣性空間角速度，并直接將其反饋至穩(wěn)定回路控制器控制導 引頭反向偏轉(zhuǎn)以實現(xiàn)視線在慣性空間的穩(wěn)定指向。穩(wěn)定平臺所采用的控制方法以PID控制 加陷波器的經(jīng)典控制結(jié)構(gòu)為主，外部擾動的抑制主要依靠高控制增益實現(xiàn)。在控制系統(tǒng)設 計過程中，由于系統(tǒng)動態(tài)模型在高頻段存在較大的不確定性，為維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制增 益會受到一定的限制，由此限制擾動抑制能力。特別在穩(wěn)定平臺存在較大的摩擦力矩、不平 衡力矩和拖拽力矩的情況下，僅通過反饋控制很難達到理想的控制性能。較常用的提高穩(wěn) 定控制性能的方法是應用擾動觀測器，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中引入擾動估計和補償來改善穩(wěn)定 平臺的低速性能、提高擾動抑制能力。這種控制方式雖然可以有效的抑制擾動，但通常會降 低反饋控制回路的頻帶，在跟蹤性能要求較高的場合并不適用。除此以外，在擾動信號可量 測的情況下，引入擾動前饋設計線性或者非線性前饋控制可以實現(xiàn)非常好的控制性能，但 擾動信號可測的前提條件限制了這種方法的應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了提高導引頭穩(wěn)定控制回路的指令跟蹤和擾動抑制性能，發(fā)明了一種結(jié)合擾動 觀測器和參數(shù)化自適應前饋控制的導引頭穩(wěn)定平臺參數(shù)化自適應前饋控制方法。
[0004] 本發(fā)明的具體步驟如下：
[0005] 一種導引頭穩(wěn)定平臺參數(shù)化自適應前饋控制方法，所述的導引頭穩(wěn)定平臺為多自 由度萬向支架結(jié)構(gòu)，平臺上安裝速率陀螺、光電編碼器、力矩電機，分別用于敏感萬向支架 的慣性空間角速率、萬向支架的旋轉(zhuǎn)角度和驅(qū)動平臺轉(zhuǎn)動；導引頭穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)包括 擾動觀測器、極點配置控制器、RLS自適應濾波器；所有控制算法在FPGA上實現(xiàn)；該方法包 括以下步驟：
[0006] (1)采用辨識算法計算穩(wěn)定平臺動力學模型，基于此模型設計擾動觀測器，實現(xiàn)外 部擾動的第一級抑制；
[0007] (2)擾動觀測器的局部反饋使其動態(tài)特性在低頻段與辨識模型非常近似，基于辨 識模型設計極點配置反饋控制器；
[0008] (3) Youla-Kucera參數(shù)化反饋控制器得到使系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)定的所有控制器。通過控制 器和被控對象模型的互質(zhì)分解，構(gòu)造包含跟蹤指令和負外部擾動的復合前饋信號；
[0009] (4)應用RLS自適應濾波器估計復合前饋信號，實現(xiàn)二自由度的控制效果。
[0010] 在上述技術(shù)方案中，所述的穩(wěn)定平臺為俯仰、偏航二自由度萬向支架結(jié)構(gòu)。
[0011] 在上述技術(shù)方案中，步驟（1)中，所述的辨識方法為子空間法。
[0012] 在上述技術(shù)方案中，步驟（2)中，所述擾動觀測器的為離散域擾動觀測器。
[0013] 在上述技術(shù)方案中，步驟（2)中，所述的反饋控制器應用多項式設計法來設計。
[0014] 在上述技術(shù)方案中，步驟（4)中所述的自適應濾波器與控制器參數(shù)化相互獨立。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有方案相比有益效果為：
[0016] 1.本發(fā)明與常規(guī)PID控制加陷波器的控制方案相比，具有更好的擾動抑制能力， 通過擾動觀測器的擾動估計前饋可實現(xiàn)比反饋控制更有效的擾動抑制效果，此外，擾動觀 測器的局部反饋克服系統(tǒng)建模誤差的影響，提高了系統(tǒng)魯棒性；
[0017] 2.本發(fā)明與常規(guī)連續(xù)域控制系統(tǒng)設計方法相比，可直接在離散域設計擾動觀測器 和極點配置控制器，簡化了離散辨識數(shù)據(jù)的連續(xù)傳遞函數(shù)擬合、連續(xù)控制器離散化等設計 步驟，避免由離散化產(chǎn)生的性能下降；
[0018] 3.本發(fā)明與常規(guī)單回路控制方案相比，具有更好的指令跟蹤和擾動抑制能力，通 過控制器參數(shù)化可以構(gòu)造包括擾動觀測器殘余擾動和指令的前饋信號，實現(xiàn)二自由度控制 效果；
[0019] 4.本發(fā)明與常規(guī)固定參數(shù)控制方案相比，應用自適應濾波器估計擾動和指令的前 饋信號，可以放寬對模型不確定性和參數(shù)變化的要求，更容易達到尖峰控制性能。
【附圖說明】
[0020] 圖1為導引頭穩(wěn)定平臺穩(wěn)定控制回路結(jié)構(gòu)圖；
[0021] 圖2為擾動觀測器結(jié)構(gòu)圖
[0022] 圖3為單通道反饋控制結(jié)構(gòu)圖；
[0023] 圖4為控制器參數(shù)化結(jié)構(gòu)圖；
[0024] 圖5為參數(shù)化自適應前饋控制結(jié)構(gòu)圖；
[0025] 圖6為自適應RLS濾波器結(jié)構(gòu)框圖；
[0026] 圖7為參數(shù)化自適應前饋控制對幅值10° /s、頻率IOHz的正弦指令信號的跟蹤 誤差；
[0027] 圖8為參數(shù)化自適應前饋控制對幅值3°、頻率3Hz的正弦擾動的抑制結(jié)果。
【具體實施方式】
[0028] 本發(fā)明的發(fā)明思想為：
[0029] 一種導引頭穩(wěn)定平臺參數(shù)化自適應前饋控制方法，包括以下步驟：
[0030] 步驟1 :建立導引頭穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由有刷直流力矩電機直接驅(qū)動的 二自由度萬向支架、測角光電編碼器和測量慣性空間速度的速率陀螺組成；
[0031] 步驟2 :針對力矩電機設計高帶寬電流反饋回路，以保證其具有快速的力矩響應 能力；
[0032] 步驟3 :將俯仰和偏航通道考慮為兩個獨立的控制系統(tǒng)，交叉耦合考慮為外部擾 動力矩，對平臺輸入逆M序列激勵并記錄平臺的輸出響應，通過子空間辨識算法計算穩(wěn)定 平臺的動力學模型；
[0033] 步驟4 :設計離散形式的擾動觀測器，由實際系統(tǒng)的輸入輸出以及辨識模型的參 數(shù)計算外部擾動估計，前饋至系統(tǒng)輸入對消外部擾動形成第一級擾動抑制；
[0034] 步驟5 :應用極點配置方法設計穩(wěn)定回路控制器，在控制器中添加積分作用并求 解閉環(huán)系統(tǒng)特征多項式，由Sylvester矩陣求解控制器參數(shù)，確保合適的自然頻率和阻尼 比；
[0035] 步驟6 :將辨識模型和反饋控制器進行互質(zhì)分解，利用Youla-Kucera參數(shù)化方法 得到所有使系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)定的控制器，構(gòu)造包含跟蹤指令和負外部擾動的復合前饋信號；
[0036] 步驟7 :應用遞推最小二乘自適應濾波器估計構(gòu)造的復合前饋信號并前饋至導引 頭穩(wěn)定平臺，同時實現(xiàn)對殘余擾動的第二級擾動抑制和對指令信號的前饋跟蹤。
[0037] 以下結(jié)合附圖，針對本發(fā)明導引頭穩(wěn)定平臺參數(shù)化自適應前饋控制方法，僅以俯 仰控制通道的實施例進行詳細的描述，但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明。
[0038] 步驟1 :穩(wěn)定平臺采用俯仰一偏航二自由度萬向支架結(jié)構(gòu)，可以繞俯仰和偏航軸 運動，以實現(xiàn)對目標的跟蹤與捕獲。雙軸速率陀螺安裝于萬向支架測量光軸慣性空間角速 度。光電編碼器用于測量穩(wěn)定平臺相對于彈體的俯仰、偏航角位置。穩(wěn)定回路控制器應用速 率陀螺的反饋完成控制律的計算并將運動指令送至驅(qū)動器驅(qū)動力矩電機帶動萬向支架繞 俯仰偏航軸偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)萬向支架的穩(wěn)定。穩(wěn)定控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，r p和r y為 跟蹤回路給出的俯仰和偏航穩(wěn)定回路指令，％和τ 驅(qū)動器指令，<為俯仰軸速度測量 值，4為經(jīng)余割補償計算得到的偏航軸速度測量值。本實施例所述伺服控制器采用Altera 公司Cyclone III 3C80U484FPGA，控制系統(tǒng)的采樣周期為lms。
[0039] 步驟2 :應用集成有刷電機驅(qū)動器MSK 4253設計力矩電機驅(qū)動器，通過調(diào)整外圍 電阻電容值修改PI控制參數(shù)實現(xiàn)模擬電流閉環(huán)，閉環(huán)帶寬為1030HZ。
[0040] 步驟3 :電鎖定偏航控制通道。以逆M序列作為輸入信號激勵穩(wěn)定平臺，記錄穩(wěn)定 平臺輸出的角速率，通過子空間辨識算法計算穩(wěn)定平臺的動力學模型為
【主權(quán)項】
1. 一種導引頭穩(wěn)定平臺參數(shù)化自適應前饋控制方法，所述的導引頭穩(wěn)定平臺為多自由 度萬向支架結(jié)構(gòu)，平臺上安裝速率陀螺、光電編碼器、力矩電機，分別用于敏感萬向支架的 慣性空間角速率、萬向支架的旋轉(zhuǎn)角度和驅(qū)動平臺轉(zhuǎn)動；導引頭穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)包括擾 動觀測器、極點配置控制器、RLS自適應濾波器；所有控制算法在FPGA上實現(xiàn)；其特征在于， 該方法包括以下步驟： (1) 采用辨識算法計算穩(wěn)定平臺動力學模型，基于此模型設計擾動觀測器，實現(xiàn)外部擾 動的第一級抑制； (2) 擾動觀測器的局部反饋使其動態(tài)特性在低頻段與辨識模型非常近似，基于辨識模 型設計極點配置反饋控制器； (3) Youla-KuCera參數(shù)化反饋控制器得到使系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)定的所有控制器。通過控制器和 被控對象模型的互質(zhì)分解，構(gòu)造包含跟蹤指令和負外部擾動的復合前饋信號； (4) 應用RLS自適應濾波器估計復合前饋信號，實現(xiàn)二自由度的控制效果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的導引頭穩(wěn)定平臺參數(shù)化自適應前饋控制方法，其特征在于， 所述的穩(wěn)定平臺為俯仰、偏航二自由度萬向支架結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的導引頭穩(wěn)定平臺參數(shù)化自適應前饋控制方法，其特征在于， 步驟（1)中，所述的辨識方法為子空間法。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的導引頭穩(wěn)定平臺參數(shù)化自適應前饋控制方法，其特征在于， 步驟（2)中，所述擾動觀測器的為離散域擾動觀測器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的導引頭穩(wěn)定平臺參數(shù)化自適應前饋控制方法，其特征在于， 步驟（2)中，所述的反饋控制器應用多項式設計法來設計。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的導引頭穩(wěn)定平臺參數(shù)化自適應前饋控制方法，其特征在于， 步驟（4)中所述的自適應濾波器與控制器參數(shù)化相互獨立。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種導引頭穩(wěn)定平臺參數(shù)化自適應前饋控制方法，該方法的控制系統(tǒng)由擾動觀測器、極點配置控制器組成的反饋控制回路和參數(shù)化自適應前饋控制回路組成。反饋控制回路基于子空間辨識模型設計，主要用于擾動的抑制；前饋控制應用遞推RLS算法在線更新自適應濾波器的抽頭權(quán)值，使自適應濾波器近似于穩(wěn)定平臺動力學互質(zhì)分解模型的逆，形成指令和負擾動的前饋，提高了系統(tǒng)的響應頻帶和擾動抑制能力。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號】CN104635492
【申請?zhí)枴緾N201410797715
【發(fā)明人】朱明超, 劉慧 , 賈宏光, 劉立剛
【申請人】中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2014年12月19日