输入饱和及扰动存在条件下的光电稳定平台滑模控制

• 作 者: 乔琦
• 出 处: 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 滑模控制 光电稳定平台 内模控制 过渡过程

光电稳定平台主要用来实现对运动目标的实时精确定位和精密跟踪,这就要求其具有良好的隔离扰动、保持视轴稳定的特性。但是光电稳定平台在实际运行过程中会受到各种非线性扰动的影响,造成系统跟踪精度的降低。而传统的PID控制技术,在建模时一般作近似处理,这样设计的控制器对系统的稳定和跟踪性能是有限的。因此,本文主要根据光电稳定平台的应用需求,改进滑模控制策略,以提高光电稳定平台的扰动抑制能力和跟踪能力。以光电吊舱为研究背景,通过对吊舱进行机理分析,并采用系统辨识的方法建立了光电稳定平台的数学模型。基于此,本文首先采用经典PID控制方法和约束条件下的参数整定准则,得到加速度、速度和位置多闭环控制系统的基础设计结果。然后,针对PID控制方法在吊舱实际非线性扰动作用下抗扰能力的不足,在吊舱平台的位置环引入滑模变结构控制来抑制非线性扰动。仿真结果表明,在频率0~40Hz范围内,滑模控制的扰动抑制比相比于PID控制提升了10dB左右,充分说明了滑模控制的扰动抑制能力更优于PID控制。在跟踪和扰动抑制方面,引入前馈思想,利用内模原理估计扰动并通过内模控制器实现扰动前馈补偿,在降低滑模抖振的同时,提高系统的跟踪和抗扰动能力。针对常规的内模控制无法在实际系统应用的问题,提出了一种改进型内模控制方法。仿真结果表明,复合控制策略的跟踪和扰动抑制能力都优于滑模控制,在频率为0.5Hz的正弦输入信号下,复合控制策略的最大跟踪误差值约为0.09,而滑模控制的最大跟踪误差值约为0.34,此外,不管扰动信号如何变化,复合控制策略的稳态误差始终小于滑模控制。在稳定性方面,针对滑模控制应用在光电稳定平台上时产生的输入饱和问题,引入时间最优理论思想,设计了一种新的过渡过程算法,将一个快速变化的阶跃信号变为一个缓慢上升的输入信号,使系统在跟踪输入信号的整个过程中都维持一个较小的误差,从而消除输入饱和现象,提高系统的稳定性。通过一系列的仿真和实验验证了上述方法的有效性。