俞華 熊天武

關(guān)鍵詞：無人船;雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái);縱橫搖;速度前饋

0引言

艦船由于風(fēng)浪作用會(huì)出現(xiàn)搖擺，引起船載設(shè)備如雷達(dá)天線的軸線晃動(dòng)，影響對(duì)目標(biāo)的掃描及測量。為了減小或消除船體搖擺對(duì)設(shè)備的影響，保證船載設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，常見的方法是采用機(jī)械穩(wěn)定方式，驅(qū)動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)反向搖擺克服船體縱搖及橫搖影響，提供一個(gè)近似水平的工作平臺(tái)，從而隔離船體搖擺擾動(dòng)對(duì)船載設(shè)備的影響。機(jī)械雙軸穩(wěn)定平臺(tái)能夠及時(shí)有效地隔離船體縱搖橫的影響，通過實(shí)時(shí)測量平臺(tái)位置信息調(diào)整姿態(tài)，保證平臺(tái)空問穩(wěn)定，為雷達(dá)等艦載設(shè)備提供穩(wěn)定的工作平臺(tái)，應(yīng)用廣泛。無人船由于體積小，船體搖擺更加劇烈，變化迅速，基于常規(guī)的PID控制算法的雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)不能滿足其快速變化動(dòng)態(tài)性能和控制精度要求。本文基于雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)工作原理設(shè)計(jì)前饋-PID控制算法，在PID控制算法的基礎(chǔ)上，引入速度前饋，通過姿態(tài)測量模塊實(shí)時(shí)測量船體搖擺角度及角度變化速度，進(jìn)行算法運(yùn)算后驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作，提高穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)定平臺(tái)控制精度，保證無人船載設(shè)備穩(wěn)定工作。

1雙軸穩(wěn)定平臺(tái)工作原理

雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)主要由穩(wěn)定平臺(tái)（機(jī)械結(jié)構(gòu)）、測量模塊（姿態(tài)測量傳感器）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（縱橫搖力矩電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器）及控制系統(tǒng)等幾個(gè)主要部分組成。當(dāng)船體發(fā)生搖擺，產(chǎn)生姿態(tài)角度變化時(shí)，姿態(tài)測量傳感器實(shí)時(shí)測量船體縱搖及橫搖角度，驅(qū)動(dòng)縱搖電機(jī)及橫搖電機(jī)反向動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)水平方向穩(wěn)定。穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)上采用外軸橫搖，內(nèi)軸縱搖的安裝方式，姿態(tài)測量傳感器安裝在平臺(tái)底座上，實(shí)時(shí)測量船體姿態(tài)并將姿態(tài)信息送到控制單元進(jìn)行控制運(yùn)算。雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)組成框圖如圖1所示。

2雙軸穩(wěn)定平臺(tái)控制策略

2.1穩(wěn)定平臺(tái)解耦控制

雙軸穩(wěn)定平臺(tái)控制策略采用解耦控制，根據(jù)實(shí)時(shí)測量的船體搖擺角度對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)的縱搖模塊和橫搖模塊分別進(jìn)行控制。在實(shí)際工作環(huán)境下，船體縱搖及橫搖對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)的影響是相互耦合的，但在縱搖角或橫搖角逐漸向平穩(wěn)狀態(tài)（搖擺角度趨向于0）過度的過程中，其相互之間的耦合關(guān)系減弱，當(dāng)其中某一個(gè)姿態(tài)（縱搖或橫搖角度）達(dá)到平穩(wěn)時(shí)，其耦合關(guān)系消除，因此，在對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行控制算法研究時(shí)，可以忽略相互之間的耦合關(guān)系，對(duì)兩軸分別進(jìn)行控制，其穩(wěn)定平臺(tái)控制框圖如圖2所示?？v搖及橫搖控制均采用三環(huán)控制策略，包括電流環(huán)、速度環(huán)以及位置環(huán)3個(gè)組成部分。電流環(huán)及速度環(huán)集成在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊中，可以有效抑制伺服電機(jī)的非線性影響;位置環(huán)由控制模塊實(shí)現(xiàn)，包括姿態(tài)測量模塊、編碼器及控制板，進(jìn)行穩(wěn)定平臺(tái)姿態(tài)的檢測、運(yùn)算與控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2 PID-前饋控制

PID控制算法是將比例、積分、微分幾個(gè)部分經(jīng)過組合構(gòu)成被控對(duì)象的控制變量，其結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、且不需要被控對(duì)象的精確模型，因此被廣泛應(yīng)用。但由于無人船體積小、搖擺幅度大、且搖擺頻率高，常規(guī)PID控制是基于偏差量的反饋控制，其本質(zhì)決定了調(diào)節(jié)作用總是落后于干擾變化量，對(duì)于外界快速變化的干擾量調(diào)節(jié)能力較弱，不能滿足快速搖擺下的動(dòng)態(tài)特性與精度要求，因此考慮加入速度前饋。前饋控制的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)觀測或者測量干擾作用的大小，并根據(jù)測量到的干擾量對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)和控制，能夠及時(shí)補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控對(duì)象造成的影響。前饋控制要求干擾量是可測的，雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)的干擾量完全來自于船體搖擺，且搖擺變化量是實(shí)時(shí)可測的，因此可以基于姿態(tài)測量模塊實(shí)時(shí)檢測縱橫搖擾動(dòng)變化量，建立前饋控制器補(bǔ)償船體快速晃動(dòng)帶來的影響，提高平臺(tái)控制精度，保證船載設(shè)備穩(wěn)定高效的工作。

3仿真實(shí)驗(yàn)和分析

實(shí)際工作過程中，橫搖擺動(dòng)幅度大，對(duì)船體姿態(tài)影響劇烈，精度控制難度相對(duì)較大，縱搖相對(duì)影響較小，搖擺幅度小，因此在控制策略研究以及算法設(shè)計(jì)時(shí)主要針對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)橫搖控制進(jìn)行建模仿真及參數(shù)整定，縱搖采用與橫搖一樣的控制策略，控制器參數(shù)根據(jù)實(shí)際所選電機(jī)及減速器進(jìn)行整定。雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)包含永磁同步電機(jī)（PMSM）、驅(qū)動(dòng)器、減速器等非線性模塊，是典型的高階非線性系統(tǒng)，為了降低難度，簡化控制器設(shè)計(jì)流程，對(duì)被控對(duì)象模型進(jìn)行降階和線性化處理，簡化為典型的二階慣性環(huán)節(jié)。

基于MATLAB/simulink工具進(jìn)行仿真建模，設(shè)計(jì)傳統(tǒng)PID與前饋-PID控制算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真模型如圖3所示，仿真結(jié)果分別如圖4～5所示。仿真模型輸入信號(hào)為模擬船體橫搖周期性運(yùn)動(dòng)的正弦信號(hào)，幅值15°，周期為2s。

由圖4～5正弦跟蹤控制誤差曲線及表1性能參數(shù)分析結(jié)果可知，前饋-PID控制算法能夠有效地根據(jù)測量的穩(wěn)定平臺(tái)干擾量（船體搖擺角度及角速度）對(duì)平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，補(bǔ)償船體縱橫搖的影響，顯著提高控制精度，保持穩(wěn)定平臺(tái)水平穩(wěn)定，相對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制算法具有更優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能以及更高的控制精度。

4結(jié)束語

本文研究了基于雙軸機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)的PID-前饋控制算法，并基于穩(wěn)定平臺(tái)的近似線性化的降階數(shù)學(xué)模型建立MATLAB/simulink仿真模型對(duì)設(shè)計(jì)的PID-前饋控制算法進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相對(duì)于傳統(tǒng)PID控制算法，前饋-PID控制算法具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和更高的跟蹤控制精度，能夠有效補(bǔ)償船體搖擺對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)帶來的影響，為工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。