[发明专利]一种基于非线性PID控制技术的稳瞄伺服控制器的设计

权利要求书

1.一种基于非线性PID控制技术的稳瞄伺服控制器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据稳瞄伺服系统的性能要求确定系统的控制方案；

步骤2：确定稳瞄伺服系统的控制结构并对各个功能模块建立数学模型；

步骤3：在稳瞄伺服控制系统的电流环中引入非线性PID控制器；

步骤4：利用非线性PID控制算法来设计稳瞄伺服控制系统的速度环控制器。

2.根据权利要求1所述的一种基于非线性PID控制技术的稳瞄伺服控制器的设计方法，其特征在于，步骤1所述控制方案为：稳瞄伺服系统由方位框和俯仰框两套子系统控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于非线性PID控制技术的稳瞄伺服控制器的设计方法，其特征在于，步骤2所述的各个功能模块具体包括执行模块、传感器模块、负载模块和功率放大器模块。

4.根据权利要求3所述的一种基于非线性PID控制技术的稳瞄伺服控制器的设计方法，其特征在于，所述执行模块建模过程为：

根据基尔霍夫电压定律和直流力矩电机的电气结构得：

式中，u_a表示控制电压，e_g代表直流力矩电机的反电动势，L_a表示电枢绕组的等效电感，R_a表示电枢绕组的等效电阻，J_∑代表折算到转动轴上的电机转子和负载的转动惯量之和，C_e表示反电动势系数，ω_m为电机转动角速度，M_m为电机的输出转矩，C_m为电机的转矩系数；为直流力矩电机的电磁时间常数；

经过Laplace变换后得到：

式中，C_e表示反电动势系数，ω_m为电机转动角速度，M_m为电机的输出转矩，C_m为电机的转矩系数；为直流力矩电机的电磁时间常数；

根据直流力矩电机的实际参数得到直流力矩电机的数学模型为：

式中，C_m为电机的转矩系数；为直流力矩电机的电磁时间常数；

根据瞄具的参数得到其传递函数为：

忽略系统干扰力矩M_l后，电机和瞄具负载的闭环传递函数为：

5.根据权利要求3所述的一种基于非线性PID控制技术的稳瞄伺服控制器的设计方法，其特征在于，所述传感器模块建模过程为：

将陀螺仪的传递函数用二阶振荡环节来表示，即：

式中，ω(t)表示角速度信号，i_g(t)表示为对应的电流信号i_g(t)；

6.根据权利要求3所述的一种基于非线性PID控制技术的稳瞄伺服控制器的设计方法，其特征在于，所述负载建模过程为：

电流反馈和滤波环节的传递函数为：

式中，T_i＝RC为电流的滤波时间常数，K_i为电流反馈系数；

7.根据权利要求3所述的一种基于非线性PID控制技术的稳瞄伺服控制器的设计方法，其特征在于，所述功率放大器模块建模过程为：

PWM驱动器的传递函数为：

式中，U_i(s)为输入电压，U_o(s)为输出电压，K_pwm为PWM驱动器的电压放大系数，T_p为延迟时间；

将按Taylor级数展开即：

式中，K_pwm为PWM驱动器的电压放大系数，T_p为延迟时间。

8.据权利要求1所述的一种基于非线性PID控制技术的稳瞄伺服控制器的设计方法，其特征在于，步骤3所述的非线性PID控制器包括非线性状态误差反馈控制律和两个非线性跟踪微分器。

9.据权利要求1所述的一种基于非线性PID控制技术的稳瞄伺服控制器的设计方法，其特征在于，步骤4所述利用非线性PID控制算法的具体步骤为：

步骤4-1：使用系统的输入信号与输出信号的误差及其微分、积分的非线性组合方式来实现误差反馈控制律；

非线性跟踪微分器的公式为：

上式中，v₁收敛于系统输入信号v；v₂收敛于系统输入信号的微分信号；r为跟踪微分器的速度因子，h为滤波因子；β为跟踪快慢的微调因子；

函数fhan(v₁-v,v₂,r,h)的推导如下：

将函数fhan(v₁-v,v₂,r,h)替换成fal(v₁-v,r,h)得到如下形式的跟踪微分器：

上式中，v₁收敛于系统输入信号v；v₂收敛于系统输入信号的微分信号；r为跟踪微分器的速度因子，h为滤波因子；β为跟踪快慢的微调因子；

步骤4-2：根据系统输入信号与输出信号的偏差及其积分、微分信号，经过非线性加权组合的方式产生控制量；将线性反馈改成如下式描述的非线性分段函数，并将误差原点附近区域的反馈设计成线性的：

则非线性PID控制量的形式为：

u＝k_P·fal(e₀，α₀，δ)+k_I·fal(e₁，α₁，δ)+k_D·fal(e₂，α₂，δ)

式中，α₀＜0＜α₁＜1＜α₂或0＜α₀＜α₁＜1＜α₂，K_i为电流反馈系数。