孫立志（海鷹航空通用裝備有限責(zé)任公司）

光電吊艙相當(dāng)于無(wú)人機(jī)的“眼睛”，為了保證“視線”的平穩(wěn)，設(shè)計(jì)了雙速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)，并采用自抗擾控制（ADRC）方法.經(jīng)仿真驗(yàn)證，該技術(shù)能夠使光電吊艙視軸穩(wěn)定精度得到提高。

光電吊艙是一種可以有效隔離載機(jī)擾動(dòng)，保持光電載荷視軸穩(wěn)定的裝置，其裝備于各型無(wú)人機(jī)上，主要功能是獲取載體外特定目標(biāo)的穩(wěn)定圖像。

在光電吊艙系統(tǒng)中，視軸穩(wěn)定技術(shù)十分重要。視軸穩(wěn)定與否在于對(duì)平臺(tái)所受各類擾動(dòng)的抑制是否有效，提高平臺(tái)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力，即可提高視軸的穩(wěn)定精度。本文從兩軸兩框架光電吊艙入手，設(shè)計(jì)基于“主動(dòng)抗擾”的控制算法，將自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用于光電吊艙控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的外部擾動(dòng)進(jìn)行總體觀測(cè)和抑制，從而可靠地提高平臺(tái)的視軸穩(wěn)定能力。

在光電吊艙控制系統(tǒng)中，速率穩(wěn)定回路是實(shí)現(xiàn)視軸穩(wěn)定功能的重要回路，對(duì)該回路的設(shè)計(jì)十分重要。由于單速度環(huán)的設(shè)計(jì)難以滿足功能要求，對(duì)速度調(diào)節(jié)器的性能要求也較高，因此，本文設(shè)計(jì)雙速度環(huán)串級(jí)結(jié)構(gòu)，將不同類別的擾動(dòng)進(jìn)行隔離，分別設(shè)計(jì)控制器進(jìn)行消除，避免各種擾動(dòng)因素的互相影響。

兩款某型無(wú)人機(jī)的光電吊艙。

兩軸兩框架光電吊艙的結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)的機(jī)械接口與光電吊艙的方位軸結(jié)合，軸上裝有同軸連接的方位驅(qū)動(dòng)電機(jī)和方位測(cè)角旋變；方位軸下方吊掛光電吊艙的方位框架，方位框架內(nèi)裝有俯仰框架；在俯仰框架上，為了平衡平臺(tái)質(zhì)量，俯仰測(cè)角旋變和俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)分裝于俯仰軸的兩端，其定子固定于方位框架兩側(cè)；在俯仰框架內(nèi)部固定著可見光成像系統(tǒng)和紅外夜視成像系統(tǒng)。

自抗擾穩(wěn)定控制器

自抗擾控制器是以經(jīng)典PID控制器的思想為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代控制理論而提出的一種觀測(cè)和補(bǔ)償相結(jié)合的非線性控制器。以應(yīng)用于無(wú)人機(jī)光電吊艙控制系統(tǒng)的二階自抗擾穩(wěn)定控制器為例，其模型可以分為跟蹤微分器（TD）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（ESO）和狀態(tài)誤差反饋控制律（SEF）三部分。

擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器是自抗擾控制器的核心部分，利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器能夠?qū)⑾到y(tǒng)的內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，再經(jīng)過(guò)跟蹤微分器對(duì)系統(tǒng)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行合理提取，通過(guò)非線性反饋控制得到系統(tǒng)的控制量，實(shí)現(xiàn)良好的控制性能。在該控制過(guò)程中，自抗擾控制器并不依賴被控對(duì)象，即不依賴于光電吊艙系統(tǒng)的精確模型。此外，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的引入可以將不同擾動(dòng)成分不加區(qū)分地進(jìn)行觀測(cè)，能夠更有效地解決無(wú)人機(jī)平臺(tái)中各類擾動(dòng)因素復(fù)雜多樣的問(wèn)題，規(guī)避了光電吊艙系統(tǒng)的不確定性等問(wèn)題，能夠達(dá)到無(wú)人機(jī)光電吊艙所要求的抗擾性能指標(biāo)。

（左）兩軸兩框架光電吊艙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

(右)二階自抗擾控制器原理圖。

光電吊艙雙速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)

（上） 雙速度環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

(下)雙速度環(huán)控制系統(tǒng)Simulink仿真模型。

從控制結(jié)構(gòu)上分析，單速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)存在無(wú)法協(xié)調(diào)抑制不同種類擾動(dòng)和低速穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。本文在合理分析速度環(huán)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于陀螺反饋信號(hào)的穩(wěn)定環(huán)，形成雙速度環(huán)的串級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)合理抑制速率擾動(dòng)和力矩?cái)_動(dòng)的控制結(jié)構(gòu)。從控制策略上，由于系統(tǒng)各部分模型的非線性，系統(tǒng)的精確模型難以建立，通常依靠模型精確參數(shù)的控制方法較難達(dá)到理想的控制效果，因此，本文引入自抗擾控制器，將控制系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)不加區(qū)分，直接觀測(cè)并合理提取，從而將系統(tǒng)模型不精確的影響降至最低。采用雙速度環(huán)結(jié)構(gòu)后，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖有所變化。

光電吊艙中，速度環(huán)和穩(wěn)定環(huán)在系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，本文將自抗擾控制器應(yīng)用于穩(wěn)定環(huán)，同時(shí)對(duì)比傳統(tǒng)的PI控制器，驗(yàn)證該控制結(jié)構(gòu)對(duì)視軸穩(wěn)定精度提高的有效性。

光電吊艙控制系統(tǒng)仿真模型

本文利用MATLAB/Simulink仿真軟件對(duì)光電吊艙控制系統(tǒng)中的自抗擾控制算法進(jìn)行仿真，并分析控制策略的可行性，得出合理的控制參數(shù)。根據(jù)光電吊艙控制系統(tǒng)模型，搭建某一框吊艙伺服系統(tǒng)的Simulink仿真模型。在該模型中，電流環(huán)、速度環(huán)和穩(wěn)定環(huán)構(gòu)成三閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中速度環(huán)和穩(wěn)定環(huán)構(gòu)成串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定控制器采用上文設(shè)計(jì)的自抗擾穩(wěn)定控制器。為了與單速度環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)搭建由電流環(huán)和穩(wěn)定環(huán)構(gòu)成的單速度環(huán)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的Simulink仿真模型。

在雙速度環(huán)控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型中，穩(wěn)定環(huán)控制器是基于自抗擾控制器設(shè)計(jì)的，其中的跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和狀態(tài)誤差反饋控制律采用S-函數(shù)編寫，作為對(duì)比，PI穩(wěn)定控制器的參數(shù)按“二階最佳”原則進(jìn)行整定。

光電吊艙控制系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)視軸穩(wěn)定的機(jī)理，在實(shí)際運(yùn)行中需設(shè)定光電吊艙各軸的角速度給定值為0。實(shí)際中擾動(dòng)因素成分復(fù)雜，為分別驗(yàn)證控制系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜擾動(dòng)成分的抑制能力，首先設(shè)定系統(tǒng)的擾動(dòng)為一定頻率的正弦力矩?cái)_動(dòng)。根據(jù)工程實(shí)際中的擾動(dòng)成分，設(shè)置該正弦力矩?cái)_動(dòng)頻率為5Hz、幅值為10%伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。仿真中觀察吊艙某軸的角速度波形，對(duì)兩種控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)對(duì)波形的定性分析，對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)隔離度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

自抗擾穩(wěn)定控制器Simulink仿真模型。

由仿真波形可知，在正弦力矩?cái)_動(dòng)的作用下，兩種控制系統(tǒng)均可將力矩?cái)_動(dòng)隔離，實(shí)現(xiàn)速率穩(wěn)定。雙速度環(huán)控制系統(tǒng)的控制效果波形，與單速度環(huán)控制系統(tǒng)相比，前者的擾動(dòng)隔離度更高，視軸穩(wěn)定效果更好。

（上）針對(duì)力矩?cái)_動(dòng)的控制系統(tǒng)仿真波形。

（中） 針對(duì)速率擾動(dòng)的控制系統(tǒng)仿真波形。

（下）突加力矩?cái)_動(dòng)仿真波形。

再設(shè)定系統(tǒng)的擾動(dòng)為一定頻率的正弦速率擾動(dòng)。參考工程實(shí)際，設(shè)置該正弦速率擾動(dòng)頻率為2.5Hz、幅值為20°/s。仿真中亦觀察吊艙某軸的角速度波形，對(duì)兩種控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行對(duì)比分析。

由仿真波形可知，在正弦速率擾動(dòng)的作用下，兩種控制系統(tǒng)均可將速率擾動(dòng)隔離。對(duì)比波形可知，雙速度環(huán)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)隔離度更高，視軸穩(wěn)定效果較好，經(jīng)計(jì)算其擾動(dòng)隔離度在1%以內(nèi)，而后者的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，擾動(dòng)隔離度大于5%，擾動(dòng)隔離度較低。

光電吊艙系統(tǒng)中擾動(dòng)的成分復(fù)雜，擾動(dòng)作用的形式多樣，其中包括穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)突加擾動(dòng)的情況。為驗(yàn)證控制系統(tǒng)對(duì)突加擾動(dòng)的響應(yīng)速度和抑制能力，在仿真中設(shè)定擾動(dòng)為幅值為25%伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的階躍力矩?cái)_動(dòng)，觀察吊艙的角速度波形，驗(yàn)證兩種控制系統(tǒng)對(duì)突加力矩?cái)_動(dòng)的抑制效果，包括擾動(dòng)抑制的快速性和平穩(wěn)性。

由仿真波形可知，在0.20s突加力矩?cái)_動(dòng)時(shí)，雙速度環(huán)速度控制系統(tǒng)在0.02s的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)抑制，且調(diào)節(jié)過(guò)程平穩(wěn)，最大轉(zhuǎn)速波動(dòng)在1.1°/s內(nèi)。對(duì)比單速度環(huán)速度控制系統(tǒng)，有明顯的調(diào)節(jié)過(guò)程，且調(diào)節(jié)過(guò)程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)已達(dá)1.8°/s，波動(dòng)較大。

本文分析設(shè)計(jì)的雙速度環(huán)控制系統(tǒng)的目的是針對(duì)速率擾動(dòng)和力矩?cái)_動(dòng)的特性，分別對(duì)其進(jìn)行抑制。為了驗(yàn)證速度環(huán)對(duì)力矩?cái)_動(dòng)具有隔離效果，將速率擾動(dòng)和力矩?cái)_動(dòng)同時(shí)加入控制系統(tǒng)，觀察吊艙的角速度波形。

對(duì)比突加力矩仿真波形可知，雙速度環(huán)控制系統(tǒng)能夠在有力矩?cái)_動(dòng)和速率擾動(dòng)共同作用時(shí)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)視軸的穩(wěn)定，而單速度環(huán)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有明顯的角速度波動(dòng)，進(jìn)而影響視軸的穩(wěn)定精度。

速度控制器不僅需要滿足抗擾的要求，而且能夠快速跟蹤給定且超調(diào)盡量小，使控制系統(tǒng)具有快速響應(yīng)能力。為驗(yàn)證雙速度環(huán)控制系統(tǒng)和自抗擾穩(wěn)定控制器的響應(yīng)能力，在仿真中設(shè)置穩(wěn)定環(huán)控制器給定為階躍角速度信號(hào)，觀察吊艙某軸的角速度對(duì)給定的跟蹤情況。

（左）同時(shí)加入速率和矩?cái)_動(dòng)仿真波形。

（右）穩(wěn)定環(huán)階躍響應(yīng)仿真波形。

從仿真結(jié)果看出，在給定幅值為18°/s的階躍角速度時(shí)，雙速度環(huán)速度控制系統(tǒng)的響應(yīng)效果較好，在80ms的時(shí)間內(nèi)即達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，計(jì)算得伺服電機(jī)的平均角加速度達(dá)到225°/s2，滿足系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定回路快速性的要求。

以上仿真結(jié)果表明，雙速度環(huán)速度控制系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩?cái)_動(dòng)和速率擾動(dòng)的隔離，穩(wěn)定吊艙的視軸，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的合理性，且穩(wěn)定效果較傳統(tǒng)的單速度環(huán)速度控制系統(tǒng)有較大的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)束語(yǔ)

本文以無(wú)人機(jī)光電吊艙控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方法兩方面進(jìn)行了分析，提出了雙速度環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，并針對(duì)系統(tǒng)中擾動(dòng)的特性和作用方式引入了自抗擾穩(wěn)定控制器，通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了提高無(wú)人機(jī)光電吊艙視軸穩(wěn)定精度的目的，對(duì)無(wú)人機(jī)偵察能力的增強(qiáng)具有積極有效的作用。 ■