[发明专利]一种旋转调制惯性导航系统的旋转控制方法

摘要

本发明提供一种旋转调制惯性导航系统的旋转控制方法，属于旋转调制惯性导航系统领域。本发明在自抗扰控制方法和滑模变结构控制方法的基础上，提出了一种融合策略，形成了旋转调制惯性导航系统的复合控制方法。当控制误差较大时，主要采用滑模变结构控制方法，加快系统响应速度，迅速减小误差；随着控制误差的减小，利用自抗扰控制的精确控制能力，保证控制的精度，提高控制的平稳度和鲁棒性。本发明提出的控制方法提高了系统的响应速度和控制精度，同时也抑制了滑模变结构控制带来的抖振，从而减小了旋转平台控制效果的不理想给导航精度带来的负面影响。

主权项

一种旋转调制惯性导航系统的旋转控制方法，其特征在于，该旋转调制惯性导航系统包括：旋转平台、自抗扰控制器和滑模变结构控制器，控制方法包括以下步骤：步骤1，建立旋转平台的控制模型；步骤11，根据旋转平台转轴的动力学方程和电机的工作原理得到单轴数据模型其中kt/Ra＝kT，θ为转轴的旋转角度，J为转轴和旋转平台的转动惯量，kt为旋转平台电机的电磁转矩系数，ke为旋转平台电机的反电势常数，kp为旋转平台的功率放大器倍数，Ra为旋转平台电机的电枢回路总电阻，ur为作用于旋转平台的控制量，Md为作用于旋转平台的干扰量；步骤12，令x1、x2分别表示θ、则将公式(1)改写成状态空间方程(2)：x·1x·2=010-1JkekTx1x2+01JkpkTur+0-1JMd---(2)]]>令则将公式(2)改写为公式(3)X·=A~X+B~ur+Md′---(3)]]>步骤13，将公式(3)离散化可得公式(4)X(k+1)=AX(k)+Bur(k)+LM~d(k)---(4)]]>其中，k、k+1代表时刻，ur(k)表示k时刻控制量ur的取值；T为旋转周期；步骤2，建立自抗扰控制器的反馈模型，所述自抗扰控制器包括：跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性反馈控制器；步骤21，根据迭代公式获得跟踪微分器第k+1时刻的跟踪信号v1(k+1)、微分信号v2(k+1)，并输出至非线性反馈控制器，其中，跟踪信号、微分信号的初始值为给定值，fhan()为最速综合控制函数，其为通用函数，h为积分步长，h0是滤波因子，r0是速度因子；r(k)为系统输入位置指令；步骤22，根据迭代公式(5)获得扩张状态观测器的第k+1时刻的干扰估计输出量z3(k+1)，并输出至非线性反馈控制器，其中，z1(k)、z2(k)、z3(k)分别为状态量x1、x2、的观测估计，初始值为给定值；β01、β02、β03为可调参数，为经验值；x1(k)表示k时刻转轴的旋转角度，x2(k)表示转轴的旋转角度在k时刻的一阶导数值；e0(k)=z1(k)-x1(k)z1(k+1)=z1(k)+h(z2(k)-β01e0(k))z2(k+1)=z2(k)+h(z3(k)-β02e0(k)+1JkpkTur(k)-1JkekTz2(k))z3(k+1)=z3(k)+h(-β03e0(k))---(5)]]>步骤23，根据跟踪信号v1(k+1)、微分信号v2(k+1)和干扰估计输出量z3(k+1)利用迭代公式(6)获得非线性误差反馈控制器的输出uADRC(k)，其中α1、α2、δ1、β1、β2为可调参数，为经验值；fal()为具有线性段的连续的幂次函数；e1(k)=v1(k)-x1(k)e2(k)=v2(k)-x2(k)fe1(k)=fal(e1(k),α1,δ1)fe2(k)=fal(e2(k),α2,δ1)u0(k)=β1fe1(k)+β2fe2(k)uADRC(k)=u0(k)-JkpkTz3(k)---(6)]]>步骤3，根据公式(7)计算基于指数趋近率的滑模变结构控制器的输出uSMC(k)；uSMC(k)＝(CeB)‑1(CeR(k+1)‑CeAX(k)‑CeLZd(k)‑s(k)+εT sgn(s(k))+qTs(k))  (7)其中Ce＝[c 1]；s(k)=CeE(k)=Ce(R(k)-X(k))=c(r(k)-x1(k))+(dr(k)-x2(k)),Zd(k)=0z3(k)T;]]>R(k+1)＝[r(k+1)dr(k+1)]；取R(k)＝[r(k) dr(k)]，采用线性外推的方法可以得到R(k+1)＝[r(k+1) dr(k+1)]；c为决定滑模面斜率的可调参数，ε为克服摄动及外干扰的可调参数、q为改变系统向滑模面的趋近速度的可调参数；dr(k)为系统输入位置指令r(k)的变化率；步骤4，根据公式(8)确定作用于旋转平台的控制量ur(k)；ur(k)＝uADRC(k)·a(k)+uSMC(k)·b(k)  (8)其中，a(k)＝1‑tanh(β|e(k)|)，b(k)＝1‑a(k)＝tanh(β|e(k)|)；e(k)＝r(k)‑x1(k)，e(k)为k时刻的控制误差；β为融合因子，根据自抗扰控制器和滑模变结构控制器的控制误差得到；步骤5，利用控制量ur(k)控制旋转平台，实现旋转平台角度和速度的精确控制。