[发明专利]一种使用扰动观测器代替前馈的控制方法

说明书

本发明涉及一种使用扰动观测器代替前馈的控制方法，属于稳定平台控制系统设计技术领域。本发明提出的一种采用扰动观测器代替前馈控制的方法，节省了硬件成本，且具有良好的适应性。

技术领域

本发明属于稳定平台控制系统设计技术领域，具体涉及一种使用扰动观测器代替前馈的控制方法。

背景技术

多种应用场合中需要被控对象在所在平台运动过程中，保持相对惯性空间稳定，如坦克行驶过程中需要保持瞄准线和火炮稳定，以实现观察目标、火力打击；航拍无人机飞行过程中，需要其装备的摄像机保持稳定，以实现稳定摄像功能；直升飞机飞行过程中，需要其光电吊仓保持稳定，等等。

如图1所示，稳定控制系统由控制器、被控对象和测量环节组成。当需要被控对象保持不动时，系统输入为零，被控对象在系统扰动的作用下，偏离预定位置，产生控制误差；测量环节(普遍采用陀螺仪)采集到控制误差，输出给控制器；控制器一般采用PID控制形式，将控制误差进行放大，产生控制力矩使被控对象保持在预定位置。

稳定控制系统会受到各种扰动作用，如：所在平台运动引起的摩擦力扰动、供电电源的纹波扰动、模拟转数字信号的噪声扰动，其中摩擦力扰动为主要扰动。控制系统在扰动作用下的稳态误差值，反映了系统的抗干扰能力。在理想情况下，系统对任意形式的扰动作用，其稳态误差应该为零，但实际上是不可能实现的。

为了减小系统稳态误差，可以提高系统的开环增益，或者采用高型别系统，但是这两种方法都将影响系统的稳定性。因此，经常采用的措施是在反馈控制回路中加入前馈通路，组成一个前馈控制和反馈控制相组合的控制系统。前馈控制使用前馈环节(普遍采用陀螺仪)直接获取干扰信息，补偿给控制器，在不影响系统稳定性的情况下减小系统稳态误差，提高控制精度，这样的控制系统又称为复合控制系统。

采用前馈减小稳态误差存在两个缺点，一是增加硬件成本，二是前馈控制参数也需要整定，且整定后通常对某一特征的扰动效果较好，当扰动特性发生变化时，前馈的效果也会随之降低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何在不增加硬件成本的基础上提高了稳定平台控制系统的稳定效果。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种使用扰动观测器代替前馈的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据外部扰动的频率选择控制器带宽w_c，在稳定控制系统测量环境测量得到被控对象当前位置y和被控对象运动速度ω，计算得到控制器控制量u₀；

步骤二、根据被控对象当前位置y和上一解算周期的系统的总控制量u_old、上一解算周期的扰动观测输出z₃_old，计算得到本解算周期系统的扰动观测值z₃，进而根据控制器控制量u₀、本解算周期系统的扰动观测值计算z₃得到本解算周期系统的总控制量；

步骤三、系统的总控制量产生相应的控制力矩，驱动被控对象克服干扰力矩的影响，保持空间稳定。

优选地，步骤一中，控制器控制量u₀的形式为：

u₀＝k_p(r-y)-k_dω

其中，r为给定值，在稳定控制系统中为0；k_p和k_d分别为比例与微分的放大系数；

k_p和k_d进行如下取值：

优选地，步骤二中，控制器的形式为：