针对扰动会对航空成像系统像旋补偿伺服机构跟踪精度产生影响的问题, 提出一种改进型复合控制算法。首先, 针对等效扰动, 提出一种基于有限时间双曲正弦跟踪微分器(FSTD), 用来构造改进非线性干扰观测器(NDO), 使系统对参数摄动不敏感且对扰动估计更加精确; 其次, 为了提升系统的跟踪精度, 结合变速趋近律的思想设计新型高阶滑模控制器(N-HSMC), 保证系统快速性的同时还能有效削弱抖振; 最后, 通过仿真对比验证了所提算法的有效性。
伺服系统 跟踪微分器 非线性干扰观测器 变速趋近律 滑模控制 servo system tracking differentiator Nonlinear Disturbance Observer (NDO) variable-speed reaching law Sliding Mode Control (SMC)
针对全驱动无人船(USV)的轨迹跟踪问题, 提出了一种模型预测控制和积分滑模控制相结合的双层控制方法。首先, 针对无人船系统的运动学模型, 设计模型预测控制器(MPC)根据期望轨迹得到满足约束条件的期望速度信号; 针对动力学模型, 设计积分滑模控制器(ISMC)使得系统在外界干扰存在的情况下, 实现对期望信号的跟踪, 提高了系统的鲁棒性; 设计非线性干扰观测器对外界干扰进行估计, 并在控制律的设计过程中进行补偿; 最后, 采用李雅普诺夫方法证明了系统的稳定性。数值仿真证明了两者的结合可以有效地实现全驱动无人船的轨迹跟踪。
全驱动无人船 轨迹跟踪 模型预测控制(MPC) 积分滑模控制(ISMC) 非线性干扰观测器 fully-actuated unmanned surface vessel trajectory tracking Model Predictive Control(MPC) Integral Sliding Mode Control (ISMC) nonlinear disturbance observer
1 南京电子技术研究所 人脑机实验室, 江苏 南京 210039
2 北京遥测技术研究所 控制系统与技术研究室, 北京 100076
本文设计了一种可以使光电伺服平台对目标对象进行高精度、稳定追踪的基于双速度环的扰动观测器，可以消除光电平台内部摩擦力矩、外部载体扰动以及传感器噪声的影响，提升系统的动态响应性能。首先，根据直流电机工作原理与负载模型，建立双速度环的数学控制模型。接着，通过分析多类型传感器的速度信号频谱和响应性能，选择噪声和延时较小的圆光栅代替传统测速设备，作为速度控制内环；同时选择光纤陀螺作为速度外环的反馈设备。然后，基于陀螺速度信号设计扰动观测器，对内速度环中的扰动补偿残差和外部载体扰动信号进行观测，并进行前馈信号补偿。实验结果表明，双速度环观测器的控制方法可以将系统调节时间降至原来的45%，在不同幅值（0.25°~2°）和频率（0.25 Hz~2 Hz）的正弦扰动信号下，该方法均能显著提高系统的扰动抑制能力，并将系统隔离度由原来的20.9 dB提升至30 dB。本文所提出的基于双速度环扰动观测器的控制方法满足光电跟踪平台快速响应、跟踪稳定、抗干扰能力强等要求。
视轴稳定 双速度环 扰动观测器 陀螺噪声 系统隔离度 line-of-sight (LOS) stability double speed loop disturbance observer gyro noise system isolation degree 光学 精密工程
2023, 31(11): 1641
1 南京信息工程大学自动化学院，江苏 南京 210044
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国船舶重工集团公司第七一九研究所，湖北 武汉 430064
4 东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110167
Overview: The fast steering mirror is an important component of a high-precision photoelectric tracking system. Fast steering mirrors are generally driven by voice coil motors with high linearity, high sensitivity, and high bandwidth to ensure adequate tracking and anti-interference accuracy of the whole system. In recent years, with the expansion of applications, the photoelectric tracking system has expanded from a fixed platform mounted on a foundation to a moving platform. However, the environment in which the motion platform is located is more severe and the internal and external interference caused by the carrier attitude change will be more complex and intense, leading to a serious decrease in the accuracy of the visual axis stabilization, and even make the tracking target out of the field of view and lose the target. In general, for the photoelectric tracking system in a moving platform, the traditional passive interference suppression methods and the active interference suppression methods that treat the interference as lumped interference will not be enough to ensure the high-precision stability of boresight. Therefore, this paper proposes a sliding mode composite layered interference observation and compensation control strategy which combines harmonic interference observation and extended state observation. Firstly, the harmonic disturbance observer is used to observe the harmonic disturbance with a priori frequency information. Then, the extended state observer is used to observe other unknown disturbances. Finally, based on the observed multi-source interference, the sliding mode nonlinear method with anti-interference ability is used to design a composite controller to maximize the suppression of multi-source disturbances suffered by the system. The experiment shows that the sliding mode composite layered interference observation compensation method proposed in this paper can estimate multi-source interference more accurately, has stronger interference suppression ability, and obtains higher boresight stabilization accuracy for the fast steering mirror compared with the traditional single interference observation compensation method.
快反镜 视轴稳定 复合分层 谐波干扰观测器 扩张状态观测器 滑模 fast steering mirror LOS stability composite layered harmonic disturbance observer extended state observer sliding mode
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信国防重点学科实验室，吉林 长春 130022
为了减少机载激光通信光电跟踪稳定平台的脱靶量误差，提出一种基于观测器的二自由度内模控制方法。以经过电流环化简后的速度环为被控对象，采用二自由度内模控制对系统进行校正，将干扰观测器的控制律引入到二自由度内模控制中以降低模型误差和外部扰动对系统性能的影响。通过仿真和实验验证了所提方法的高性能。实验结果显示，改进的内模控制在抗干扰能力、鲁棒性和跟踪性能上都优于传统内模控制；将改进的内模控制算法用于实际系统中也有较好的跟踪性能，其跟踪精度约为143 μrad，与传统内模控制相比提高了约24%。
光纤光学与光通信 机载激光通信 二自由度内模控制 干扰 干扰观测器 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0106007
针对具有外界非匹配扰动的严格反馈非线性系统, 研究了固定时间控制问题。基于反演策略和Lyapunov稳定性理论, 给出使全局固定时间稳定的新型扰动观测器和控制器的设计步骤。为避免传统固定时间反演控制算法因虚拟控制律反复微分导致的奇异问题, 设计了一种不含分数次幂项的光滑反演控制器。在设计中将扰动估计值补偿到标称控制器中, 实现了外界扰动下控制目标的高精度、固定时间稳定, 并保证闭环系统中的信号在固定时间内收敛至稳定界内。最后对比仿真验证了控制算法的有效性。
固定时间控制器 非线性系统 扰动观测器 fixed-time controller nonlinear system disturbance observer
1 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所, 河南 洛阳 471000
2 西北工业大学, 西安 710000
3 哈尔滨飞机工业集团有限责任公司, 哈尔滨 150000
4 山西文水90队,山西 文水 032000
5 中国人民解放军93126部队, 北京 100000
针对机载环境下控制系统受到干扰和噪声的双重影响, 而传统干扰观测器难以有效抑制噪声影响的问题, 引入了一种降噪干扰观测器, 能同时抵抗扰动和噪声的影响。首先, 介绍了传统干扰观测器的原理, 分析了传统干扰观测器不能抑制噪声影响的原因;然后, 分析了降噪干扰观测器的原理, 发现通过选择合适的滤波器, 系统能同时获得比较好的抗扰和抗噪能力;最后, 设计了控制器和降噪干扰观测器, 并进行了仿真实验, 仿真结果证实了理论分析, 系统同时具有抗扰和抗噪能力。
光电稳定平台 降噪干扰观测器 干扰观测器 滤波器 electro-optical stabilized platform noise reduction disturbance observer disturbance observer filter
1 长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022
2 长春理工大学 空地激光通信国防重点学科实验室，长春 130022
3 长春理工大学 光电工程学院，长春 130022
为解决在外部扰动情况下自适应光学中倾斜镜的控制问题，提出了一种基于扰动观测器的滑模控制方法来抑制结构振动。在倾斜镜控制系统中，将新的扰动观测器加入到传统滑模控制方法中，设计新的滑模控制率来抑制抖振。改进后的扰动观测器不受精确模型的限制，仿真结果证明了该方法能够比较准确的跟踪系统状态，抑制扰动效果明显，降低了系统误差，输出曲线更接近给定的输入信号。实验结果表明，所设计的方法与传统滑模控制方法相比，方位轴控制误差由1.637 μrad降低到1.083 μrad，精度提高约51.2%，俯仰轴控制误差由1.966 μrad降低到1.614 μrad，精度提高约21.8%。该方法可大幅削弱由滑模控制方法造成的抖振及外部扰动，提高倾斜镜控制系统的稳定性。
自适应光学 倾斜镜 滑模控制 扰动观测器 抖振 Adaptive optics Tip-tilt mirror Sliding mode control Disturbance observer Chattering
1 光电控制技术重点实验室, 河南 洛阳 471000
2 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所, 河南 洛阳 471000
针对光电稳定平台的建模不确定性和未建模不确定性问题, 提出一种基于扰动估计的自适应鲁棒控制算法。该算法将自适应鲁棒控制(ARC)和干扰观测器(DOB)相结合, 并将干扰观测器得到的扰动估计值融合进自适应鲁棒控制算法设计中, 利用自适应鲁棒控制的参数自适应律对其进行自适应补偿, 进一步提高光电稳定平台的稳态精度。仿真结果表明, 所提算法与直接采用传统DOB前馈补偿相比具有超调量小、调节时间短的优点, 并且有效地提高了光电稳定平台的扰动抑制能力。
光电稳定平台 干扰观测器 自适应鲁棒控制 李雅普诺夫函数 photoelectric stabilized platform disturbance observer Adaptive Robust Control (ARC) Lyapunov function
