非线性驱动惯性稳定控制系统及方法与流程

本发明涉及一种非线性驱动惯性稳定控制系统，属于运动平台下瞄准装置的建模与控制技术领域。

背景技术：

发射装置随运动平台在行进中发射有利于缩短系统的反应时间。行进中发射要解决发射装置的稳定瞄准问题，要求系统具备惯性稳定指向的能力。发射装置瞄准系统的特点是惯量大，系统谐振频率低，传动误差链复杂。为进行优化布局，高低方向采用电动缸驱动的发射装置被应用，经电机、减速器和丝杠构成的驱动系统具有典型的非线性特点。

在传统的陀螺稳定平台中，多数系统近似为线性系统处理，通过捷联解耦可以直接得到惯性稳定控制律。在这类非线性驱动系统中，若将其作为线性系统直接应用上述方法将影响稳定控制系统的性能，着重对上述问题的影响进行分析和解决。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种非线性驱动惯性稳定控制系统。

根据本发明提供的一种非线性驱动惯性稳定控制方法，包括：

将实际架位(θ，β)隔离到载体坐标系下角速度反馈回路外，对实际架位(θ，β)进行离线参数辨识，利用多项式进行逼近，将得到的多项式施加到前馈补偿上；并利用加速度前馈进行稳定补偿，离线对等效惯量和驱动放大系数进行辨识；

θ表示实际架位中的方位角；

β表示实际架位中的俯仰角。

根据本发明提供的一种非线性驱动惯性稳定控制系统，包括：

控制模块：将实际架位(θ，β)隔离到载体坐标系下角速度反馈回路外，对实际架位(θ，β)进行离线参数辨识，利用多项式进行逼近，将得到的多项式施加到前馈补偿上；并利用加速度前馈进行稳定补偿，离线对等效惯量和驱动放大系数进行辨识；

θ表示实际架位中的方位角；

β表示实际架位中的俯仰角。

优选地，利用驱动电机的角速度矢量进行载体坐标系下的角速度闭环，将实际架位(θ，β)的导数：即瞄准装置角速度矢量隔离到角速度反馈回路外，利用瞄准装置的角速度与驱动电机的角速度对瞄准装置的非线性驱动关系进行离线参数辨识，利用多项式进行逼近，将得到的与架位相关的多项式求逆的结果施加到前馈补偿上；并利用加速度前馈进行稳定补偿，离线对等效惯量和驱动放大系数进行辨识；

表示驱动电机的角速度矢量；

表示瞄准装置的角速度矢量。

优选地，角速度反馈回路构成惯性稳定平台回路，角速度的反馈器由电机轴端引出，即：将非线性驱动器不包含在角速度反馈回路；

对非线性补偿器f1进行离线多项式整定：进行多组试验，随机输入为经过电机输出产生的电机轴角速度和经过电动缸非线性驱动产生的负载角速度经过优化求解得到非线性补偿器f1，非线性补偿器f1的阶次不低于试验的次数；载体角速度经过惯性解耦器g(θ，β)的输出进入非线性补偿器f1产生稳定补偿分量

对跟踪前馈控制器f2进行离线整定：在随机输入作用下，进入由电流控制器ki、电机及电机驱动md、反电动势ce、瞄准装置在电机输出轴端的等效负载构成的闭环系统，得到电机轴角速度通过得到加速度补偿器f2，即对等效转动惯量和放大系数进行估计；稳定补偿分量进入跟踪前馈控制器f2和微分器td，产生稳定补偿分量

将理想参考角速度输入与补偿角速度相加后，再与电机输出轴角速度作差，得到的输出进入稳定控制器ks，稳定控制器ks的输出与补偿角加速度相加后，进入由电流控制器ki、电机及电机驱动md、反电动势ce构成的闭环反馈系统，电机及电机驱动md产生驱动力，作用于等效负载输出电机轴角速度经过对应于减速器或电动缸的非线性驱动器f(θ，β)产生负载角速度负载角速度与载体角速度通过几何约束a产生瞄准角速度

jd表示瞄准装置在输出轴端的等效转动惯量。

优选地，电机轴角速度和负载角速度进入存储器m1，对非线性补偿器f1进行整定；稳定控制器ks的输出和电机轴角速度进入存储器m2，对加速度补偿器f2进行整定。

优选地，负载端角速度经过积分器产生载体坐标系下的实际架位(θ，β)，载体角速度经过惯性解耦器g(θ，β)后的输出经过非线性补偿器f1产生补偿角速度经过加速度补偿器f2产生补偿角加速度

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明实施简单易行，在传统控制方法的基础上容易进行改造。

2、本发明中隔离非线性驱动器，角速度反馈器从电机输出轴引出，而非负载输出端，使稳定控制器易于进行线性化设计。

3、本发明基于参数辨识的方法可以逼近非线性驱动器，通过开环前馈补偿对稳定控制系统进行线性化，可以提高系统的性能；

4、本发明基于离线系统辨识的方法可以对等效转动惯量和放大系数进行估计，从而进行角加速度补偿，提高系统的稳定控制性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为系统控制框图。

图2为非线性驱动器。

图3为非线性驱动特性。

图4为非线性拟合曲线。

图5为非线性补偿角速度误差。

图6为系统辨识加速度前馈补偿的角速度误差。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明旨在克服非线性驱动瞄准装置的惯性稳定控制问题，从非线性驱动器f(θ，β)入手，该非线性驱动器f(θ，β)与载体坐标系下的实际架位(θ，β)相关，解决的途径是将非线性驱动器f(θ，β)隔离到载体坐标系下角速度反馈回路外，对非线性驱动器f(θ，β)进行离线参数辨识，利用多项式进行逼近，将得到的多项式施加到前馈补偿回路上，同时利用加速度前馈进行稳定补偿，利用离线系统辨识对等效惯量和驱动放大系数进行辨识，提高惯性稳定平台回路的性能。

本发明的特征在于：角速度反馈回路构成惯性稳定平台回路，角速度的反馈器由电机轴端引出，即：将非线性驱动器f(θ，β)不包含在角速度反馈回路，最大限度发挥惯性稳定平台回路的性能。为实现对非线性器的开环前馈补偿，需要对非线性补偿器f1进行离线多项式整定：将稳定控制器ks、电流控制器ki、电机及电机驱动md、反电动势ce、等效负载视为“黑箱”，进行多组试验，随机输入为经过电机输出产生的电机轴角速度和经过电动缸非线性驱动产生的负载角速度经过优化求解得到f1，f1的阶次不应低于试验的次数。载体角速度经过惯性解耦器g(θ，β)的输出进入f1产生稳定补偿分量

对f2进行离线整定：在一定频率的随机输入作用下，进入由电流控制器ki、电机及电机驱动md、反电动势ce、等效负载构成的闭环系统，得到电机轴角速度通过系统优化辨识得到f2的倒数，即对等效转动惯量和放大系数的估计。稳定补偿分量进入f2和微分器td，产生稳定补偿分量

以某导弹发射车的发射转塔为例，进行说明，发射转塔由电机、减速器和电动缸驱动，为典型的非线性驱动二维指向瞄准机构。

不失一般性，利用安装在载体上的定位定向导航设备测量车体(载体)的姿态角速度信息令

ωxb表示载体的俯仰角；

ωyb表示载体的横滚角；

ωzb表示载体的偏航角。

利用上述信息以及发射转塔的方位指向角θ、高低指向角β，进行半捷联解耦，构建数学稳定平台，经过捷联解耦后的补偿角速度为

进一步，由于其高低运动由电机、减速器及电动缸进行驱动，因此高低运动为非线性传动器，传动关系与高低角相关，如图2所示。发射转塔高低轴非线性驱动特性如图3所示，由图可以看出发射装置的高低角速度与电机轴的角速度呈非线性关系。当电机轴端的角速度恒定不变时，经过非线性器，得到负载端的角速度逐渐增加，并随着高低角的增加，负载端输出角速度增大。

进一步，经过非线性补偿器f^-1(β)后的角速度分量为

ωc1表示经过非线性补偿器f^-1(β)后的角速度；

i^-1()表示线性驱动器的逆；

其中f(β)为高低方向的非线性驱动器，i(θ)为方位方向的线性驱动器，下面主要对发射转塔的高低方向进行设计。由于发射转塔瞄准指向结构的非线性器影响因素较多，将非线性驱动器f(β)描述为

f(β)＝ω1/ω0(4)

ω1表示发射转塔的高低角速度；

ω0表示电机角速度；

对其进行参数辨识，利用多项式拟合f(β)，令基于优化目标函数

n表示多项式的阶次；

θi表示多项式系数；

βⁱ表示高低角的i阶导数；

表示拟合的偏差；

表示多项式系数组成的向量；

表示实际值；

f()表示多项式函数；

表示优化的目标函数；

上标t表示矩阵或向量的转置。

令得到

其中，m行需要尽量涵盖所有高低角，n列需要根据系统的非线性度进行迭代。

表示偏导数符号；

表示多项式参数的估计值；

表示试验数据组成的矩阵；

表示试验数据。

在实际实施过程中，通过在高低角范围内的电机角速度输入ω0，得到不同的发射转塔高低角速度ω1，进一步得到发射转塔的实际角速度ω1，利用二分法确定非线性拟合函数的阶次，进而可以得到非线性器，得到的因此，当n＝4时，非线性驱动的拟合结果如图4所示，

进一步设计稳定控制系统的前馈补偿控制f2和td，不失一般性，这里应用离线系统辨识和α-β滤波的在线微分器。系统辨识技术通常利用系统的输入输出关系对系统的模型进行开环辨识，进而设计反馈控制律，开环辨识对于大运动惯量的系统有一定的技术风险。这里将系统的辨识应用于稳定控制系统的前馈补偿控制中，系统的辨识问题就演变为参数辨识问题，为闭环辨识，是对电机轴端等效惯量(通常难以获得)和电机放大系数的辨识，令基于优化目标函数

令得到

表示的估计值；

η表示辨识的参数；

表示加速度指令；

表示电机角速度；

表示目标优化函数；

表示等效转动惯量的估计值。

通过系统的离线辨识得到等效转动惯量和放大系数的估计值为f2＝2.5。因为陀螺的测量噪声影响不利于进行高阶前馈的设计，设计α-β滤波的微分器，得到角速度补偿量的微分器

若在高低方向存在幅值为5°/s，周期为0.5s的载体角速度输入，则通过离线参数辨识得到非线性补偿f1，带非线性补偿的控制效果如图中data1所示，与理想补偿效果(如data2所示)相当，比线性补偿的效果(如data3～data5所示)更好。

若高低方向存在幅值为5°/s，周期为0.5s的载体角速度输入，则通过系统辨识得到加速度前馈补偿系数f2，并利用微分跟踪器得到解耦后加速度的估计值，带加速度前馈补偿的控制效果如图中data2所示，比无加速度前馈补偿的效果(如图data1所示)显著提升。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。