一种稳定平台伺服系统基于有限时间收敛的复合控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明具体设及一种稳定平台伺服系统基于有限时间收敛的复合控制方法，属于 光电跟踪系统视轴稳定控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 在光电跟踪系统中，成像系统载体的运动会导致成像目标的影像与成像介质之间 产生相对运动，即像移。由于成像系统视轴的摆动，影像在成像介质上会发生旋转。当两帖 图像之间存在像旋时，则图像无法很好地拼接为一个整体，从而影响对图像的判读。因此， 视轴稳定是提高光电跟踪系统跟踪性能的重要因素。平台稳像方法将系统中光学传感器的 视轴与载体的运动和振动相隔离，使视轴能够稳定在固定的惯性空间方向，是实际应用最 广泛的一种稳像方法，从"伺服控制"的角度看，稳定平台实质上就是一个"视轴稳定跟踪伺 服系统"，即稳定平台是一种典型的伺服系统。光电跟踪系统要实现对高动态运动目标的稳 定成像和高精度跟踪，就要保证在曝光之前实现视轴的快速稳定跟踪控制，因此系统在曝 光之前实现对干扰的有效估计和补偿是保证视轴稳定控制的首要条件。
[0003]在光电跟踪伺服系统控制中，影响稳定平台稳像性能的不确定性因素主要有两个 来源，一是载体运动给稳定平台带来的干扰，载体的运动给平台带来的扰动是通过摩擦的 形势体现出来;二是系统内部的不确定性干扰因素，包括摩擦、系统参数的不确定性及高频 未建模动态等。摩擦力矩的存在严重影响了系统隔离扰动的能力。摩擦(包括静摩擦，库仑 摩擦和粘性摩擦)是一种时变的、非线性的、具有不确定性的自然现象，对于高精度机械伺 服系统，它是提高系统性能的障碍，使系统响应出现爬行、振荡或稳态误差，并影响伺服系 统低速性能、小信号跟踪性能和速度平稳度的提高。在实际控制系统中，由于模型辨识能力 的局限和实际系统中存在死区滞后饱和等非线性，人们难W获得关于被控对象的精确数学 模型。通常情况下，控制的实现是W对象精确的数学模型为基础的。因此，稳定平台伺服系 统中存在的不确定因素势必影响系统的稳定控制性能。
[0004]稳定平台伺服控制系统中的不确定性不是一个常值，而是随时间变化的，因此它 的导数不为零。但是，现有的许多干扰估计补偿方法，假设系统中的不确定项是慢变的，直 接将不确定项的导数置为零。因此，传统的干扰估计补偿控制方法所获得的控制效果通常 不是很理想，同时，传统的干扰估计方法不能保证干扰估计误差在有限时间内收敛为0。如 何设计更好的干扰估计补偿控制方法，保证在曝光之前视轴实现稳定控制，解决摩擦非线 性、未建模特性及干扰快变对系统性能的影响，运将成为提高稳定平台伺服系统性能的关 键问题。
【发明内容】
[000引因此，本发明目的是针对稳定平台伺服系统受到的干扰是随时间变化的情况，设 id--种新型的快速滑模干扰观测器（FastSlidingModeDisturbanceObserver, FSMDOB)，并将其应用于稳定平台伺服系统的稳定跟踪控制中，增强伺服系统的抗干扰能力 和鲁棒性，提高伺服系统跟踪速度信号时的平稳度，结合位置闭环控制器，即基于有限时间 收敛的滑模控制器，实现视轴稳定的复合控制策略。
[0006] -种稳定平台伺服系统基于有限时间收敛的复合控制方法，所述方法为，稳定平 台伺服系统外环控制器采用基于有限时间收敛的滑模控制器，采用跟踪微分器获得控制器 中的速度，在稳定平台伺服系统内环使用快速滑模干扰观测器，快速滑模干扰观测器的输 入信号为控制电压和跟踪微分器获得的角速度，输出信号为等效扰动的估计值，等效扰动 的估计值W负反馈的方式和位置闭环控制器的输出共同形成稳定平台伺服系统的控制电 压，实现稳定平台伺服系统在有限时间内的稳定控制。
[0007]进一步的，所述快速滑模干扰观测器的控制步骤为：
[0008]步骤1A采用白噪声扫频技术辨识被控对象的数学模型，获得的被控对象名义模型 如公式一所示，
[0009]
[0010] 其中，Θ表示被控对象输出的角位置，U表示被控对象的输入电压，Jn为名义模型的 转动惯量，Bn为名义模型的阻尼系数，S为拉普拉斯算子；
[0011] 系统的微分方程可W描述为公式二所示，
[0012]
[0013]其中，0(t)为伺服系统的角位置信号，如对伺服系统的角速度信号，d表示被控 对象受到的总的等效扰动，包括高频未建模特性及各种摩擦，假设d有界，存在一个正数dM， 且满巧
[0014]步骤1B引入中间变量Z，按公式Ξ选择滑模切换函数，
[0015]
[0016]设计Z的一阶导数形式为公式四，
[0017]
[001引其中，ki>0,0<;r<l，M> |(1μ|，si即（·）表示符号函数；
[0019]步骤1C针对被控对象模型设计快速滑模干扰观测器，如公式五所示
[0020]
[0021] 在有限时间ti内，快速滑模干扰观测器可W估计出系统的等效干扰d，其中，
[0022]
[002引公式六中^心)的初始值为雌。）二去雄。)2。
[0024]步骤ID采用一阶欧拉法求解公式四，可得
[0029]其中，h为伺服系统的控制周期，h可化毫秒。
[0030]进一步的，所述位置闭环控制器实现稳定控制的方法为：
[0031]步骤2A给定位置参考信号0d，定义位置跟踪误差
[0032]e=目d-目（公式十）
[0033]选取滑动模态
[0034]
[00巧]基于有限时间收敛的滑模控制器采用如公式十二所示，
[0036]
(公式十二）
[0037]其中，}11>0，}12>0，113>0,0<乂<1，且满足
巧条件；
[0038]步骤2B在有限时间t2内，闭环控制器可W对稳定平台伺服系统实现
[0039]稳定控制，且跟踪误差收敛于0,其中，
[004引步骤2C稳定平台伺服系统最终在有限时间t=max(ti，t2)内实现稳定控制。
[0043]步骤2D为了便于工程实现，用公式十屯表示公式十二的离散形式，
[0048]其中，h为伺服系统的控制周期，h可为1毫秒。
[0049]进一步的，所述方法在实际应用中，抖振需要高的控制功率，并且它可能进一步激 发在建模中被忽略的高频动态，因此为了减小抖振，采用sigmoid函数对符号函数sign( ·) 进行近似，sigmoid函数的表达式如公式十八所示，
[0050]
[0051 ]其中，ε为边界层，τ为反比于ε的一个正常数。
[0052] 本发明的有益效果在于:本发明的复合控制方法，可W增强稳定平台伺服系统的 抗干扰能力和鲁棒性，提高稳定平台伺服系统跟踪时的平稳度，保证了视轴的稳定控制，算 法简单，计算量小，易于实施，适用于实时控制。
【附图说明】
[0053] 图1为本发明一种稳定平台伺服系统基于有限时间收敛的复合控制方法的控制系 统不意图；
[0054] 图2为本发明一种稳定平台伺服系统基于有限时间收敛的复合控制方法的控制系 统原理图；
[0055] 图3为ΜΑ化ΑΒ仿真实验一中基于有限时间收敛的FSMD0B干扰估计误差曲线示意 图；
[0056] 图4为MATLAB仿真实验二中基于有限时间收敛的滑模控制跟踪误差曲线示意图。
【具体实施方式】
[0057] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行说明：
[0058] 本发明一种稳定平台伺服系统基于有限时间收敛的复合控制方法的控制系统示 意图如图1所示，其控制原理如图2所示，其中d表示等效干扰。
[0059] -种稳定平台伺服系统基于有限时间收敛的复合控制方法，所述方法为，稳定平 台伺服系统外环控制器采用基于有限时间收敛的滑模控制器，采用跟踪微分器获得控制器 中的速度，在稳定平台伺服系统内环使用快速滑模干扰观测器，快速滑模干扰观测器的输 入信号为控制电压和跟踪微分器获得的角速度，输出信号为等效扰动的估计值，等效扰动 的估计值W负反馈的方式和位置闭环控制器的输出共同形成稳定平台伺服系统的控制电 压，实现稳定平台伺服系统在有限时间内的稳定控制。
[0060] 优选的，所述快速滑模干扰观测器的控制步骤为：
[0061] 步骤1A采用白噪声扫频技术辨识被控对象的数学模型，获得的被控对象名义模型 如公式一所示，
[0062]
[0063] 其中，Θ表示被控对象输出的角位置，U表示被控对象的输入电压，Jn为名义模型的 转动惯量，Bn为名义模型的阻尼系数，S为拉普拉斯算子；
[0064] 系统的微分方程可W描述为公式二所示，
[0065]
[0066]其中，0(t)为伺服系统的角位置信号，为伺服系统的角速度信号，d表示被控 对象受到的总的等效扰动，包括高频未建模特性及各种摩擦，假设d有界，存在一个正数dM， 且满足
[0067]步骤1B引入中间变量Z，按公式Ξ选择滑模切换函数，
[006引
（公式Ξ)
[0069]设计Z的一阶导数形式为公式四，
[0070]
[00川其中，ki>0,0<;r<l，M