[發(fā)明專利]一種采用自抗擾控制技術的船載攝像穩(wěn)定平臺控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410351761.1
• 申請日: 2014-07-22
• 公開（公告）號: CN104267743B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發(fā)明（設計）人: 張文安;馬劍;董輝;賴宏煥;劉凱
• 申請（專利權）人: 浙江工業(yè)大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司33241
• 代理人: 王利強

1.一種采用自抗擾控制技術的船載攝像穩(wěn)定平臺控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步驟：

步驟1)、通過分析方位、俯仰和橫滾三個方向子系統(tǒng)的組成，建立船載攝像穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)模型，串聯(lián)后所得的攝像穩(wěn)定平臺各方向子系統(tǒng)的三階傳遞函數(shù)模型是：

θ(s)u(s)=bs3+a2s2+a1s---(1)]]>

其中，R為電樞回路總電阻，L為電樞回路的電感，C_e為電動勢系數(shù)，C_m為電機額定勵磁下的轉矩系數(shù)，J為電機的轉動慣量，K_α為功放的傳遞函數(shù)，i是傳動機構的減速比，θ(s)為電機轉角的拉氏變換，u(s)為導通電壓的拉氏變換；

將傳遞函數(shù)模型(1)轉換為如下狀態(tài)空間模型：

x·1(t)=x2(t)x·2(t)=x3(t)x·3(t)=-a1x2(t)-a2x3(t)+bu(t)---(2)]]>

其中，x₁(t)為攝像穩(wěn)定平臺的轉角，x₂(t)為攝像穩(wěn)定平臺的轉動角速度，x₃(t)為攝像穩(wěn)定平臺的轉動角加速度，u(t)為控制量，即導通電壓；

將狀態(tài)空間模型(2)以采樣周期T離散化得到如下離散化的狀態(tài)空間模型：

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)]]>

步驟2)、為參考角度安排過渡過程并設計跟蹤微分器，使攝像穩(wěn)定平臺轉動角度盡可能快而無超調地跟蹤上參考角度；參考角度的過渡過程信號及其微分跟蹤器按如下方程給出：

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)是對攝像穩(wěn)定平臺的轉動參考角度安排的過渡過程信號，v₂(k)和v₃(k)分別是此過渡過程信號的近似一階微分信號和近似二階微分信號，fs為快速綜合函數(shù)；r為快速跟蹤因子，與過渡過程達到穩(wěn)態(tài)值想要的時間成反比，且受系統(tǒng)承受能力制約；h為積分步長；

步驟3)、設計擴張狀態(tài)觀測器，獲得攝像穩(wěn)定平臺的轉角、角速度、角加速度以及總和擾動量的估計值；

對于如式(3)所示的攝像穩(wěn)定平臺離散時間系統(tǒng)模型，令x₄(k)＝-a₁x₂(k)-a₂x₃(k)作為擴張出的新的狀態(tài)變量，并記那么狀態(tài)擴張后的攝像穩(wěn)定平臺離散時間系統(tǒng)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)]]>

系統(tǒng)模型(5)的擴張狀態(tài)觀測器是：

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)是攝像穩(wěn)定平臺轉動角度估計值與實際轉動角度的差，z₁(k)是攝像穩(wěn)定平臺實際轉動角度x₁(k)的估計值，z₂(k)是攝像穩(wěn)定平臺轉動角速度x₂(k)的估計值，z₃(k)是攝像穩(wěn)定平臺轉動角加速度x₃(k)的估計值，z₄(k)是擴張狀態(tài)變量x₄(k)即系統(tǒng)總和擾動的估計值，b₀是對狀態(tài)空間模型(2)中b的估計值。h是積分步長，fal(e(k),α_i,δ)是一非線性函數(shù)，具體表達式如下:

fal(e(k),αi,δ)=e(k)δ1-αi,|e(k)|≤δ|e(k)|αisign(e(k)),|e(k)|>δ---(7)]]>

其中，α_i為冪指數(shù)，在擴張狀態(tài)觀測器中一般取δ為線性段的區(qū)間長度，sign()為符號函數(shù)，并具有如下形式：

sign(x)=1,x>00,x=0-1,x<0---(8)]]>

β_0i(i＝1,K,4)、δ為一組待整定參數(shù)；

步驟4)、根據(jù)擴張狀態(tài)觀測器和跟蹤微分器的輸出獲得攝像穩(wěn)定平臺的轉角、角速度、角加速度的跟蹤誤差，將這些誤差信號通過非線性組合獲得誤差反饋控制律；

根據(jù)步驟3)中的擴張狀態(tài)觀測器和步驟2)中的跟蹤微分器的輸出得到如下誤差信號：

e1(k)=v1(k)-z1(k)e2(k)=v2(k)-z2(k)e3(k)=v3(k)-z3(k)---(9)]]>

其中，e₁(k)是攝像穩(wěn)定平臺的轉角跟蹤誤差，e₂(k)是攝像穩(wěn)定平臺的角速度跟蹤誤差，e₃(k)是攝像穩(wěn)定平臺的角加速度跟蹤誤差，這些誤差量經(jīng)過非線性組合得到誤差反饋控制律u₀，其中β_i和α_i是待整定的參數(shù)，β_i為各誤差的反饋增益，參考PD控制增益進行調節(jié)；將由步驟3)獲得的總和擾動的估計值z₄(k)通過形如的補償過程得到最終的控制量u(k)，那么如式(5)所示的攝像穩(wěn)定平臺離散狀態(tài)空間模型轉化為：

x1(k+1)=x1(k)=Tx2(k)x2(k+1)=x2(k)+Tx3(k)x3(k+1)=x3(k)+Tu0(k)---(10)]]>

攝像穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的總和擾動被補償消除，成為不含擾動項的積分串聯(lián)型系統(tǒng)。