基于DOB和二自由度控制器的某火炮穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計

王海穩(wěn)，曲俊海，孫漢青，龐繼文

（1.太原科技大學(xué)自動化學(xué)院，太原030024；2.北方自動控制技術(shù)研究所，太原030006）

基于DOB和二自由度控制器的某火炮穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計

王海穩(wěn)1，曲俊海2，孫漢青2，龐繼文2

（1.太原科技大學(xué)自動化學(xué)院，太原030024；2.北方自動控制技術(shù)研究所，太原030006）

火炮穩(wěn)定控制系統(tǒng)性能會受到如路況、火炮射擊時產(chǎn)生的沖擊力矩等外部擾動以及摩擦力矩變化、測量噪聲、轉(zhuǎn)動慣量變化等內(nèi)部參數(shù)攝動的影響。針對此問題，引入一種DOB觀測器和二自由度控制算法，來減少摩擦對系統(tǒng)性能的影響，提高系統(tǒng)對載體擾動的隔離能力。仿真和實驗結(jié)果表明，所提出的算法可以有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定精度和速度伺服性能。

炮控系統(tǒng)，二自由度，DOB，穩(wěn)定精度

0 引言

火炮穩(wěn)定控制系統(tǒng)（以下簡稱“炮控系統(tǒng)”）是火控系統(tǒng)的重要組成部分，作為火力控制主線末端的執(zhí)行系統(tǒng)，發(fā)揮著控制火炮/炮塔指向和隔離載體擾動的作用，是實現(xiàn)火控系統(tǒng)主要戰(zhàn)技指標(biāo)的重要保證。性能優(yōu)良的炮控系統(tǒng)可保證炮手在車輛高速行進時對火炮/炮塔指向的快速調(diào)整與精確瞄準(zhǔn)。本文的重點就是設(shè)計先進的控制算法，使系統(tǒng)在受到如路況、火炮射擊時產(chǎn)生的沖擊力矩等外部擾動以及摩擦力矩變化、測量噪聲、轉(zhuǎn)動慣量變化等內(nèi)部參數(shù)攝動的情況下，依然能夠快速地調(diào)轉(zhuǎn)火炮、精確地瞄準(zhǔn)。

二自由度控制概念最早由Horowitz提出，近年來許多學(xué)者針對不同對象對其進行了許多研究，能夠給伺服系統(tǒng)帶來高響應(yīng)速度和精度，提高系統(tǒng)的魯棒性，在高性能伺服控制系統(tǒng)設(shè)計中得到了成功的應(yīng)用?；谝陨戏治?，本文將二自由度控制器應(yīng)用于炮控系統(tǒng)中，提出一種新型炮控二自由度控制算法，可優(yōu)化系統(tǒng)對操縱信號和載體擾動的響應(yīng)性能。實驗和仿真結(jié)果均驗證了該算法的有效性。

1 炮控系統(tǒng)的組成和基本原理

炮控系統(tǒng)一般由操縱裝置、控制箱、驅(qū)動器、執(zhí)行電機、陀螺儀和傳動裝置等組成。如圖1所示為速率穩(wěn)定控制系統(tǒng)的原理框圖，系統(tǒng)由速率穩(wěn)定和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成。電流閉環(huán)系統(tǒng)用于克服電機本身的參數(shù)攝動和電氣時間常數(shù)影響，保證電流（即電機力矩）對輸入控制電壓的響應(yīng)特性。陀螺速率穩(wěn)定閉環(huán)系統(tǒng)用于完成輸出速度對輸入指令的跟隨和對載體擾動的克服。因此，陀螺穩(wěn)定閉環(huán)系統(tǒng)可以看作是以指令為輸入和以擾動為輸入的兩套速度伺服系統(tǒng)的疊加工作。

圖1 炮控系統(tǒng)原理框圖

輸入指令一般是慢變的，對于系統(tǒng)響應(yīng)來說可以用階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差和調(diào)節(jié)時間來衡量其性能；而載體擾動則較為復(fù)雜，與多種因素（如路況、車輛的行進速度、底盤懸掛系統(tǒng)的性能、陀螺的帶寬以及各傳動環(huán)節(jié)機械剛度等）有關(guān)。因此，本文主要研究對于載體擾動的二自由度控制策略。

2 DOB和二自由度控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 擾動觀測補償系統(tǒng)設(shè)計

在圖1所示的炮控系統(tǒng)中，由于摩擦對系統(tǒng)精度有較大的影響，因此，在穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計中首先對摩擦進行擾動觀測器設(shè)計，然后進行相應(yīng)的補償。

2.1.1 DOB觀測器的原理

擾動觀測器（DOB）最早由日本學(xué)者K.Ohnishi于1978提出，Umeno和hori提出了擾動觀測理論。擾動觀測器（DOB）結(jié)構(gòu)簡單，既能有效地解決干擾、模型不確定性及非線性摩擦問題，又能夠補償系統(tǒng)動態(tài)滯后，提高系統(tǒng)的跟蹤精度。擾動觀測的主要原理是將實際輸出與名義模型輸出之間的差異看作是作用于名義模型的等效擾動，估計出這種等效擾動后，將其加入到控制端以抵消外部擾動的影響。

2.1.2 擾動觀測補償

本系統(tǒng)中設(shè)計擾動觀測器對系統(tǒng)中存在的摩擦、模型不確定等進行觀測補償，原理如圖2所示，其中If是電流反饋系數(shù)，Cm是力矩系數(shù)，Mf是摩擦力矩，Gm（s）是機電模型，P（s）是傳動環(huán)節(jié)以及被控對象模型，設(shè)計的擾動觀測器中對前向通道的各環(huán)節(jié)進行了逆處理。其中通過對象標(biāo)稱模型的逆Pn-1（s）替代了實際對象模型的逆P-1（s），同時設(shè)計了一個低通濾波器Q（s），這樣就保證了Q（s）Pn-1（s）物理可實現(xiàn)。

圖2 炮控系統(tǒng)摩擦觀測補償系統(tǒng)原理圖

從系統(tǒng)輸入輸出特性分析擾動觀測器，如圖2所示，系統(tǒng)輸出的表達式為：

由一般的運動伺服控制系統(tǒng)的實際情況可知，系統(tǒng)的外部干擾和跟蹤指令信號一般都集中在低頻段，而測量噪聲則在高頻范圍內(nèi)。因此，可以通過濾波器Q（s）用來調(diào)整上式所示的傳遞函數(shù)。實現(xiàn)抑制對象低頻干擾和高頻測量噪聲的目的。通常，假定外部干擾和測量噪聲具有不同的頻率范圍，如果在低頻段，Q（s）=1，在高頻段，Q（s）=0。上式就可以近似如下：

這說明在低頻段，DOB使得系統(tǒng)的動態(tài)特性與標(biāo)稱模型相近似。高頻段則系統(tǒng)接近于開環(huán)控制，沒有測量噪聲存在。因此，Q（s）的設(shè)計決定了DOB控制結(jié)構(gòu)的魯棒性和高頻噪聲抑制能力。本文中設(shè)計Q（s）為四階巴特沃斯濾波器，選擇低通濾波器截止頻率為100 Hz，采樣頻率為1 MHz，根據(jù)MATLAB的FDATOOL工具箱設(shè)計四階巴特沃斯濾波器如下：

其中：

2.2 二自由度控制器設(shè)計

2.2.1 重構(gòu)載體擾動信號

本系統(tǒng)中，陀螺反饋信號實質(zhì)上是載體擾動和火炮/炮塔相對承載機構(gòu)運動作差的結(jié)果，即陀螺輸出已經(jīng)是誤差信號，而要對載體擾動進行二自由度控制就必須重構(gòu)一個可作用于系統(tǒng)的載體擾動信號。針對該問題，如圖3所示設(shè)計在負(fù)載端安裝測速機（也可以使用旋變或者碼盤得到的位置信號進行微分得到速度信號），其信號與陀螺信號相減并進行濾波處理后得到載體擾動信號。在重構(gòu)的過程中由于傳感器的線性度、測量噪聲以及采樣時間差等影響會使得重構(gòu)出的擾動信號存在噪聲，因此，需要在作用于系統(tǒng)之前進行濾波處理。

圖3 炮控系統(tǒng)二自由度控制原理圖

2.2.2 二自由度控制器設(shè)計

將重構(gòu)并濾波后的擾動信號加入到系統(tǒng)中，與陀螺反饋系統(tǒng)構(gòu)成二自由度控制器，按照不變性原理設(shè)計F（s）。通過反饋通道克服參數(shù)攝動，外部擾動等影響，通過前饋通道保證載體擾動信號的速度響應(yīng)，從而保證了系統(tǒng)穩(wěn)定精度的有效提高。

3 系統(tǒng)建模仿真

圖4為某炮控系統(tǒng)的仿真模型，圖5是圖4中obj部分的仿真模型，通過系統(tǒng)仿真可以觀察到各控制部分對系統(tǒng)的作用，以及采取不同控制方法對最終控制性能的影響。

圖4 某炮控系統(tǒng)的仿真模型

圖5 obj部分的仿真模型

3.1 摩擦擾動和DOB觀測器輸出對比

下頁圖6所示為摩擦擾動和DOB觀測器輸出的特性曲線對比。從圖中可以看出DOB觀測器輸出值與摩擦擾動波形基本一致，符號相反，幅值略小。

3.2 載體擾動信號重構(gòu)濾波后的效果

圖7為載體擾動原始信號和重構(gòu)濾波后的信號對比，從圖中可以看出重構(gòu)濾波后的信號與原始信號波形基本一致，但包含一定的噪聲。

圖6 摩擦擾動和DOB觀測器輸出的特性曲線

圖7 摩擦擾動和DOB觀測器輸出的特性曲線

3.3 加入DOB和二自由度控制器后的輸入響應(yīng)和載體擾動響應(yīng)

圖8為加入DOB和二自由度控制器后階躍輸入響應(yīng)對比。因二自由度控制器為針對載體擾動設(shè)計，對輸入響應(yīng)不影響。從圖中可以看出相比原系統(tǒng)，新設(shè)計的控制器在快速性方面有所提高。

圖9為加入DOB和二自由度控制器后載體擾動響應(yīng)對比，從圖中可以看出相比原系統(tǒng)，新設(shè)計的控制器穩(wěn)定精度量值為原系統(tǒng)的42.8%，穩(wěn)定精度大幅提高。

圖8 加入DOB和二自由度控制器后階躍輸入響應(yīng)對比

圖9 加入DOB和二自由度控制器后載體擾動響應(yīng)對比

3.4 實測的系統(tǒng)響應(yīng)

圖10為某實驗系統(tǒng)采用前文設(shè)計的新型控制器后在搖擺試驗中實測的系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，從圖中可以看出相較于傳統(tǒng)的控制器，新設(shè)計的控制器穩(wěn)定精度有大幅度提高。

圖10 實測的系統(tǒng)響應(yīng)

4 結(jié)論

本文提出了一種基于二自由度控制算法和摩擦DOB觀測器的炮控系統(tǒng)設(shè)計方法?；谠撍惴梢缘玫巾憫?yīng)快、誤差小的指令跟隨特性和更高的載體擾動隔離能力。本文給出的摩擦DOB觀測器和二自由度控制算法為實際應(yīng)用提供了參考，并易于系統(tǒng)實現(xiàn)。仿真和實驗結(jié)果都驗證了該方法的有效性。

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Design of the Artillery Stability Control System Based on DOB and Two Degree of Freedom Controller

WANG Hai-wen1，QU Jun-hai2，SUN Han-qing2，PANG Ji-wen2
（1.Automation Department of Taiyuan University of Science&Technology，Taiyuan 030024，China；
2.North Automatic Contorl Technology Institute，Taiyuan 030006，China）

The artillery stability control system performance can be influenced by the external disturbance such as the road condition，the impact moment caused by the gun firing，the change of the friction torque，the measurement noise，the change of the moment of intertia and so on.Order to solve this problem，a DOB observer and two degree of freedom control algorithm is introduced to reduce the influenc of friction on the performance of the system，and to improve the ability of the system to isolate the disturbance of the carrier.Simulation and experimental results show that the proposed algorithm can effectively improve the stability accuracy and speed servo performance of the system.

artillery stability control system，disturbance observer，two degree of freedom，stability accuracy

TP273；TJ3

A

1002-0640（2016）12-0117-04

2015-11-05

2015-12-27

王海穩(wěn)（1977-），女，河北邢臺人，碩士研究生。研究方向：智能控制，二自由度控制。