夏 濤

（中國電子科技集團公司第27研究所，河南 鄭州 450015）

在動平臺光電偵查導(dǎo)引系統(tǒng)中，要求目標瞄準線能夠快速隔離載體角運動對視軸（LOS）的擾動，通過安裝在陀螺穩(wěn)定平臺上的圖像探測裝置獲取穩(wěn)定的目標與背景圖像，為大視場目標捕獲和小視場目標識別與跟蹤提供良好的測量和運算基準。為了保證在運動中的目標跟蹤精度，這必然要求視軸穩(wěn)定系統(tǒng)起制動超調(diào)小、動態(tài)響應(yīng)快、恢復(fù)時間短。由于傳統(tǒng)的陀螺平臺視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)一般采用常規(guī)的比例積分（PI）控制，系統(tǒng)在階越響應(yīng)時速度調(diào)節(jié)器退飽和必然存在超調(diào)［1］。對于具有多個狀態(tài)變量的陀螺平臺視軸穩(wěn)定系統(tǒng)，僅將系統(tǒng)輸出信號進行反饋，可能無法滿足系統(tǒng)快速隔離擾動和無靜差漸進跟蹤控制的要求。本文根據(jù)內(nèi)?？刂疲↖MC）原理，設(shè)計了一種內(nèi)模控制器取代常規(guī)的比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，很好地解決了轉(zhuǎn)速超調(diào)和無靜差漸進跟蹤控制的問題。實驗結(jié)果表明，在內(nèi)?？刂浦校捎谝肓藘?nèi)部模型，反饋量由原來的輸出全反饋變?yōu)閿_動估計量的反饋，使系統(tǒng)獲得比常規(guī)比例積分（PI）調(diào)節(jié)更為優(yōu)良的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，且算法簡單，控制器容易實現(xiàn)［2］。

1 內(nèi)模控制原理及結(jié)構(gòu)特點

內(nèi)?？刂疲↖nternal Model Control）的概念是由Garcia等人于1982年提出的一種基于控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進行控制器設(shè)計的新型控制策略。其設(shè)計思路是將對象模型與實際被控對象并聯(lián)，控制器逼近模型的動態(tài)逆，對單變量而言內(nèi)?？刂破魅槠淠Ｐ妥钚∠辔徊糠值哪?，并通過附加低通濾波器以增強系統(tǒng)的魯棒性，與傳統(tǒng)的反饋控制相比，它能夠清楚地表明調(diào)節(jié)參數(shù)和閉環(huán)響應(yīng)及魯棒性的關(guān)系，從而兼顧性能和魯棒性。典型內(nèi)模控制器的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 典型內(nèi)?？刂疲↖MC）的一般結(jié)構(gòu)

其中y、u為被控對象的輸出量和被控量；r是給定值，dy是外部擾動；G1為被控對象；G2為內(nèi)部標稱模型；C為內(nèi)模控制器；F 為前饋調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)設(shè)計過程一般為在IMC 典型結(jié)構(gòu)中進行控制器設(shè)計，實施時再轉(zhuǎn)換為常規(guī)反饋結(jié)構(gòu)，這樣便于算法的軟件實現(xiàn)，IMC的等效反饋結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 內(nèi)模控制（IMC）等效反饋結(jié)構(gòu)

陀螺平臺視軸穩(wěn)定系統(tǒng)本質(zhì)上就是以速率陀螺為測速元件的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其性能包括動態(tài)性能和靜態(tài)性能。就靜態(tài)而言，由于內(nèi)?？刂破鬏敵鲲柡蜁r等效反饋控制器C 為PI 調(diào)節(jié)器，因而調(diào)速系統(tǒng)對階躍輸入和負載擾動的穩(wěn)態(tài)誤差都是零。就動態(tài)而言，C 的參數(shù)按工程設(shè)計法設(shè)計，內(nèi)?？刂破鲗儆诔靶涂刂破?，當突加階躍輸入時，其輸出很快處于飽和限幅狀態(tài)，從而使電機在最大電流下實現(xiàn)恒流升速，加快了起動過程。但由于內(nèi)?？刂破鳑]有積分累加作用，當電機轉(zhuǎn)速接近給定轉(zhuǎn)速時，控制器C 就退出飽和限幅狀態(tài)，因而轉(zhuǎn)速不會因為退飽和而產(chǎn)生超調(diào)?；谝陨显?，為了滿足視軸穩(wěn)定系統(tǒng)對陀螺平臺的高精度、快速響應(yīng)要求，本文在輸出反饋變量速度、位置以及電樞電流的閉環(huán)校正過程中引入內(nèi)?？刂?，使系統(tǒng)達到優(yōu)良的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度［3-4］。

2 陀螺平臺視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及控制思想

陀螺平臺視軸穩(wěn)定系統(tǒng)實質(zhì)上是圍繞改善伺服驅(qū)動裝置的靜、動態(tài)特性來展開的，目前能夠得到普遍認同的觀點是，對于具有多個狀態(tài)變量的直流伺服系統(tǒng)最有效的控制方法，就是包含電流環(huán)的速度內(nèi)環(huán)，再加上一個位置環(huán)進行位置控制。

2.1 陀螺平臺視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成

下面結(jié)合某型陀螺平臺視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的工程設(shè)計進行探討。這個系統(tǒng)主要是用于對海上目標進行搜索和跟蹤。其伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 陀螺伺服穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)框圖

2.2 陀螺平臺視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計

對于具有多個狀態(tài)變量的伺服系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩—速度—位置的調(diào)節(jié)順序是很自然的，它符合控制對象的結(jié)構(gòu)。這種多環(huán)路串級結(jié)構(gòu)只能在下述假定下才能發(fā)揮其功能，即越到內(nèi)環(huán)控制，頻帶越寬，電流環(huán)的響應(yīng)最快，而位置環(huán)的響應(yīng)最慢。很顯然，只有在速度環(huán)能夠快速執(zhí)行位置調(diào)節(jié)器的指令時，位置回路才能很好地起作用，亦即每個內(nèi)環(huán)的工作從屬于外環(huán)，基于這些理由，設(shè)計調(diào)節(jié)器的順序先內(nèi)后外，由里向外，依次引入狀態(tài)變量電流、轉(zhuǎn)速、位置的反饋。在每一步中，依據(jù)外環(huán)頻帶與內(nèi)環(huán)頻帶之間的相互關(guān)系，把內(nèi)環(huán)“等效慣性”降階近似處理為一個低階的數(shù)學(xué)模型，將控制回路一個接一個地順序投入運行。

2.2.1 電樞電流反饋的設(shè)計

陀螺平臺視軸穩(wěn)定系統(tǒng)本質(zhì)上是一個力矩平衡系統(tǒng)，由陀螺敏感擾動力矩，從而達到視軸相對于慣性空間穩(wěn)定的目的。因此，在陀螺平臺的軸系控制中，電機的控制模式選用直接轉(zhuǎn)矩控制。建立轉(zhuǎn)矩環(huán)（電流環(huán)），可以近似地看成是給電樞提供一個外加的電流源，使轉(zhuǎn)矩環(huán)的輸出電流值與閉環(huán)的輸入電壓參考值成比例關(guān)系，這樣就可以大大提高慣性速率環(huán)的控制效果，從而提高系統(tǒng)的隔離度［5］。

給電機輸入階躍電壓，對應(yīng)的電流輸出如圖4所示：

圖4 開環(huán)電流階躍響應(yīng)

經(jīng)過時域辨識得到電機的電樞傳遞函數(shù)為：

電流環(huán)電流調(diào)節(jié)的作用有兩個：一個是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，突加控制作用時無超調(diào)，充分利用直流力矩電機過載能力獲得快速響應(yīng)。因為此時速度調(diào)節(jié)器已經(jīng)進入飽和狀態(tài)，其輸出信號通過限幅一般作為極限值加到電流調(diào)節(jié)器輸入端，電流調(diào)節(jié)器的作用結(jié)果使電樞電流迅速達到并穩(wěn)定在最大值上，從而實現(xiàn)快速加減速和電流限制作用。電流調(diào)節(jié)器的另一個作用是使系統(tǒng)抗電源擾動和負載擾動的能力增強，如果沒有電流環(huán)，擾動會使繞組電流隨之波動，使電動機的速度響應(yīng)受影響，雖然速度環(huán)可以最終使速度穩(wěn)定，但需要的過渡時間較長；如果有電流環(huán)，由于力矩電機電氣時間常數(shù)較小，電流調(diào)節(jié)器會使受擾動的電流迅速穩(wěn)定下來，不至于發(fā)展到對速度產(chǎn)生大的影響。因而系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性得到改善。根據(jù)內(nèi)模原理，在電流環(huán)中引入內(nèi)?？刂破?，使電樞電流的動態(tài)響應(yīng)快速且無超調(diào)［6］。

電流環(huán)SIMULINK的仿真模型如圖5所示：

圖5 電流環(huán)SIMULINK的仿真模型框圖

通過仿真等效內(nèi)模調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

則電流環(huán)的階躍響應(yīng)如圖6所示：

圖6 電流環(huán)階躍響應(yīng)曲線

2.2.2 速率穩(wěn)定環(huán)的設(shè)計

電流環(huán)調(diào)試完成以后，開始速度環(huán)的調(diào)試，此處的慣性速率環(huán)本質(zhì)上與普通的電機控制速度環(huán)不同，其反饋元件為速率陀螺，其敏感的是框架相對于慣性空間的角速率。采用頻率特性分析儀對速率穩(wěn)定環(huán)進行開環(huán)頻率特性測試，測試數(shù)據(jù)擬合成Bode圖如圖7所示：

圖7 速度環(huán)開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線

通過速度環(huán)開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線擬合出速度回路的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

速度環(huán)SIMULINK的仿真模型如圖8所示：

圖8 速度環(huán)SIMULINK的仿真模型框圖

通過仿真速度環(huán)等效內(nèi)模調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

則速度環(huán)的階躍響應(yīng)如圖9所示：

圖9 速度環(huán)階躍響應(yīng)曲線

2.2.3 位置調(diào)節(jié)器的設(shè)計

最后進行位置調(diào)節(jié)器設(shè)計，位置環(huán)的根本作用是實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)對位置指令的準確跟蹤，被控量是負載的空間位移，當給定量隨機變化時，系統(tǒng)能使被控量準確無誤地跟隨并復(fù)現(xiàn)給定量。具體到文中的某陀螺平臺視軸穩(wěn)定系統(tǒng)就是實現(xiàn)目標的穩(wěn)定跟蹤。因此在動態(tài)設(shè)計時，為了提高系統(tǒng)快速跟隨能力，要求位置環(huán)應(yīng)有較高的截止頻率，因為位置環(huán)的截止頻率表征了系統(tǒng)的快速性。在保證了位置回路快速性的同時還必須保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，這就要求位置調(diào)節(jié)器具有大的開環(huán)放大增益，且階躍響應(yīng)無超調(diào)。通過仿真，調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)如下：

此時系統(tǒng)位置環(huán)的階躍響應(yīng)曲線如圖10所示，系統(tǒng)上升時間為0.0766s，調(diào)節(jié)時間為0.132s，終值為1，動態(tài)過程無超調(diào)，因此，位置調(diào)節(jié)器設(shè)計還是比較滿意的。

圖10 位置環(huán)階躍響應(yīng)曲線

3 結(jié)語

內(nèi)?？刂疲↖MC）在多環(huán)路從屬控制系統(tǒng)中被實踐證明是有效的，達到了期望的設(shè)計指標。這些系統(tǒng)的優(yōu)點在于：首先，可由寬頻帶內(nèi)環(huán)來迅速抑制作用在系統(tǒng)上的擾動；其次，從內(nèi)環(huán)開始分步設(shè)計，可以分成幾個步驟解決系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題，通過選取適當?shù)膮⒖甲兞磕軌蛳拗浦虚g狀態(tài)變量的極限值；最后將外環(huán)路打開，就可以簡單測試和進行現(xiàn)場調(diào)試。

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