旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備自抗擾控制技術(shù)

王志鑫，時小飛，楊開偉，李娟娟

（1. 中國人民解放軍92941部隊，葫蘆島 125001；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081；3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，石家莊 050081）

旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備自抗擾控制技術(shù)

王志鑫1，時小飛2,3，楊開偉2,3，李娟娟2,3

（1. 中國人民解放軍92941部隊，葫蘆島 125001；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081；3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，石家莊 050081）

針對捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備旋轉(zhuǎn)調(diào)制非線性控制問題，本文提出采用非線性自抗擾控制技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)線性PID控制技術(shù)的控制策略。

捷聯(lián)慣導(dǎo)；旋轉(zhuǎn)調(diào)制；自抗擾控制；擴張狀態(tài)觀測器

1 引言

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備的旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)是一種自校正方法，它能在不使用外部信息的條件下，通過對慣性測量單元的轉(zhuǎn)動來調(diào)制陀螺和加速度計的常值偏差，提高系統(tǒng)長時間導(dǎo)航能力[1]。在實際應(yīng)用中，通常采用直流力矩電機直接驅(qū)動的方式實現(xiàn)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備的旋轉(zhuǎn)調(diào)制，當系統(tǒng)受到較大的沖擊作用時，直流力矩電機控制系統(tǒng)由線性系統(tǒng)變成一個非線性控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的PID控制策略可能造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至“飛車”，本文重點對自抗擾控制技術(shù)（ADRC）在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備旋轉(zhuǎn)調(diào)制控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進行可行性進行研究?；诟櫸⒎制骱蛿U張狀態(tài)觀測器的自抗擾控制技術(shù)是適應(yīng)數(shù)字控制技術(shù)時代潮流，吸收現(xiàn)代控制理論成果并發(fā)揚PID控制思想精髓的一種不依賴于系統(tǒng)精確模型的非線性魯棒控制技術(shù)，它用配置非線性結(jié)構(gòu)替代極點配置進行控制系統(tǒng)的設(shè)計，依靠期望軌跡與實際軌跡的誤差大小和方向來實施非線性反饋控制，是一種基于過程誤差來減小誤差的方法[2]。其最突出的特征是把作用于被控對象的所有不確定因素都歸結(jié)為未知擾動，直接利用對象的輸入輸出對未知擾動進行估計并通過前饋自動給予實時補償。本文在LabVIEW平臺上對ADRC進行仿真，研究這種非線性控制器對捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備旋轉(zhuǎn)調(diào)制控制系統(tǒng)模型的適應(yīng)性和魯棒性。

2 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備旋轉(zhuǎn)調(diào)制控制系統(tǒng)工作原理

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備旋轉(zhuǎn)調(diào)制控制系統(tǒng)采用H橋式電路驅(qū)動永磁直流力矩電機的直接驅(qū)動方式[3]，通過控制橋式電路輸入端PWM信號的占空比來調(diào)節(jié)力矩電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。穩(wěn)定控制系統(tǒng)的原理框圖如1所示，系統(tǒng)采用光纖陀螺作為角速率傳感器，用以實時檢測平臺的轉(zhuǎn)動速率，通過積分和濾波后，可消除陀螺的零位漂移并獲得回路的反饋量即平臺的實際轉(zhuǎn)動角度位置，目標角度位置與實際角度位置經(jīng)過自抗擾控制算法后形成控制量輸出，控制量調(diào)節(jié)PWM信號的占空比大小，從而改變控制電機兩端的電壓以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，PWM輸出經(jīng)過功率放大后加載至力矩電機，力矩電機驅(qū)動武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)向目標角度位置。圖中虛線框圖部分所包含的自抗擾控制算法（ADRC）實現(xiàn)、PWM波形產(chǎn)生以及陀螺位置信號處理，都由TMS320F2812芯片完成。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備旋轉(zhuǎn)調(diào)制自抗擾控制方案

自抗擾控制器（ADRC）是一種不依賴于系統(tǒng)模型的新型非線性控制器，具有收斂速度快、精度高、抗干擾能力強等特點，已經(jīng)在爐溫控制、異步電機調(diào)速系統(tǒng)控制、高速車床等不同對象的實際控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用[4-5]。

常用的二階自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)如2所示，主要包括跟蹤微分器（TD）、擴張狀態(tài)觀測器（ESO）和非線性組合反饋（NSEF）等功能模塊。

圖2 二階自抗擾控制器結(jié)構(gòu)框圖

3.1 控制對象

系統(tǒng)采用力矩電機直接驅(qū)動負載的控制方式，在機械設(shè)計時保證了系統(tǒng)的諧振頻率足夠高，電機與負載之間可近似為純剛性連接，因此，電機電樞控制電壓Ua與負載平臺轉(zhuǎn)速V之間的傳遞函數(shù)可簡化為

該電機與負載模型是一個典型的二階系統(tǒng)，式中，J∑為系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量；La為電機電樞回路電感；Ra為電機電樞回路電阻；Cm為電機力矩系統(tǒng)；Ce為電機反電動勢比例系數(shù)。

3.2 跟蹤微分器（TD）

跟蹤微分器用以對不光滑的輸入信號V0進行預(yù)處理，通過“安排”過渡過程V1，能快速無超調(diào)地跟蹤輸入信號V0并能很好地給出其微分信號V2，本系統(tǒng)中V0即為目標角度位置。二階跟蹤微分器的結(jié)構(gòu)形式為

自抗擾控制器魯棒性好的原因是因為擴張狀態(tài)觀測器利用“擴張狀態(tài)”估計出控制對象模型的不確定因素和干擾的實時值。設(shè)有系統(tǒng)

假定系統(tǒng)中函數(shù)cos(0.4πt)是已知的輸入，函數(shù)sign(sin(0.4πt))+sin(0.4πt )為系統(tǒng)未建模部分或外部擾動。建立如下的擴張狀態(tài)觀測器

擴張狀態(tài)觀測器中的參數(shù)取值如下：h=0.02，δ=h，α1=0.5，α2=0.25，β01=400，β02=2000，β03=10 0 0 0。利用該擴張狀態(tài)觀測器對狀態(tài)x1=cos(0.4πt)、x2（x1的微分）和被擴張狀態(tài)x3=sign(sin(0.4πt)+sin(0.4πt)的實時估計的仿真結(jié)果分別如圖6a，6b，6c所示。

圖7a，7b分別是自抗擾控制器在輸入（實線）為階躍信號和正弦信號時的響應(yīng)曲線（點劃線），由圖可以看出自抗擾控制器對階躍信號和正弦信號輸入均能很好的進行跟蹤，并且超調(diào)量很小。圖8和圖9分別為自抗擾控制器在存在正弦和方波干擾時的階躍響應(yīng)和控制量輸出曲線。由仿真結(jié)果可知，自抗擾控制器在一套控制參數(shù)不變的情況下，通過改變控制量輸出能抑制不同大小、不同種類的干擾對控制系統(tǒng)的影響，體現(xiàn)出良好的魯棒性和抗干擾性。

圖6 擴張狀態(tài)觀測器對輸入信號的估計

圖7 ADRC的階躍響應(yīng)曲線和正弦響應(yīng)曲線

圖8 幅值分別為1和100的正弦干擾條件下階躍響應(yīng)曲線和控制量曲線

圖9 幅值分別為1和100的方波干擾條件下階躍響應(yīng)曲線和控制量曲線

5 結(jié)束語

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備的旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)通常采用直流力矩電機直接驅(qū)動負載的方式實現(xiàn)，系統(tǒng)在復(fù)雜外界干擾條件下，直流力矩電機控制系統(tǒng)由線性系統(tǒng)變成一個非線性控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的線性控制策略可能造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，重點對ADRC在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備旋轉(zhuǎn)調(diào)制控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進行可行性進行研究。本文采用LabVIEW對捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備旋轉(zhuǎn)調(diào)制自抗擾控制技術(shù)進行了仿真分析，仿真分析結(jié)果表明，自抗擾控制器在一套控制參數(shù)不變的情況下，通過改變控制量輸出能抑制不同大小、不同種類的干擾對控制系統(tǒng)的影響，具有良好的魯棒性和抗干擾性，能夠應(yīng)用于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備旋轉(zhuǎn)調(diào)制控制系統(tǒng)。■

[1] 楊建業(yè)．捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝備旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)研究[J]．電光與控制，2009,16(12):30-33

[2] 韓京清．從PID技術(shù)到“自抗擾控制”技術(shù)[J]．控制工程，2002, 9(3): 13-18

[3] James P. Quinn, Dual Elevation Weapon Station and Method of Use [P], United States Patent, 2009.2.

[4] 焦連偉．電力系統(tǒng)自抗擾控制器[J]．清華大學(xué)學(xué)報，1999, 39(3): 27-29

[5] 馮光．采用自抗擾控制器的高性能異步電機調(diào)速系統(tǒng)[J]．中國電機工程學(xué)報，2001, 21(10):55-59

GSMA公布2017世界移動大會-上海最新細節(jié)

春節(jié)前夕，GSMA公布了2017世界移動大會-上海的最新進展，本屆大會將于6月28日（周三）至7月1日（周六）在上海新國際博覽中心舉行。最新進展包括GSMA宣布推出2017亞洲移動大獎（Asia Mobile Awards）。此外，GSMA還提供了世界移動大會-上海會議項目相關(guān)的更多細節(jié)，并公布了新增參展商名單。

GSMA首席營銷官Michael O’Hara表示：“我們期待舉辦第二屆亞洲移動大獎，并設(shè)立了新的類別和獎項，以表彰業(yè)界最前沿的企業(yè)、個人、產(chǎn)品和服務(wù)。我們也很高興能拓展2017世界移動大會-上海的會議項目，以內(nèi)容更豐富的主題演講和峰會探討移動和相關(guān)行業(yè)的全趨勢?！?/p>

GSMA宣布舉辦2017亞洲移動大獎

GSMA今天宣布將于2017世界移動大會-上海期間舉辦亞洲移動大獎。亞洲移動大獎旨在表彰亞洲移動產(chǎn)業(yè)最杰出的成就和創(chuàng)新，將由頂尖的獨立行業(yè)專家組成的評審團進行評選。亞洲移動大獎將涵蓋五大類別的13個獎項。

2017亞洲移動大獎參賽報名將于1月25日（周三）至4月12日開放，GSMA將于6月初公布入圍者名單，于6月28日（周三）世界移動大會-上海期間舉行的“亞洲移動大獎頒獎典禮暨招待晚宴”上向獲獎?wù)哳C獎。2017亞洲移動大獎向整個移動生態(tài)系統(tǒng)的企業(yè)開放；獎項類別、評選標準和截止日期的完整列表可在http://www.asiamobileawards.cn/上查閱。

會議項目將首次延長至三天

世界移動大會-上海會議項目首次延長至三天，即6月28日（周三）至6月30日（周五），并于上海新國際博覽中心W3展館與GSMA創(chuàng)新城市同場舉行。會議期間將舉行四場主題演講，從不同角度闡釋世界移動大會-上海的主題——“勢在人為”（The Human Element）。主題演講包括“勢在人為”、“運營商之勢在人為”、“社會之勢在人為”以及“行業(yè)之勢在人為”，演講嘉賓均為來自移動生態(tài)系統(tǒng)和相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)高管。

大會還將舉行聚焦行業(yè)趨勢的12大峰會：互聯(lián)汽車峰會、數(shù)據(jù)安全峰會、數(shù)字消費者峰會、企業(yè)及云技術(shù)峰會、未來技術(shù)峰會、全球終端峰會、物聯(lián)網(wǎng)峰會、MMIX亞洲峰會、運營商轉(zhuǎn)型策略峰會、網(wǎng)絡(luò)演進峰會、行業(yè)轉(zhuǎn)型峰會、虛擬現(xiàn)實及增強現(xiàn)實峰會。

已確認參加世界移動大會-上海的新增參展商

GSMA公布了將參加世界移動大會-上海展覽并展出最新移動產(chǎn)品和服務(wù)的新增展商名單。最新確認的參展商包括FiberHome、金立、GLOBALFOUNDRIES、杭州華三通信技術(shù)有限公司、亨通光電、香港應(yīng)用科技研究院、Lora聯(lián)盟（Lora Alliance）、美圖公司、香港電訊盈科有限公司（PCCW Global）、羅德與施瓦茨（Rohde & Schwarz）、意法半導(dǎo)體（STMicroeletronics)和西部數(shù)據(jù)（Western Digital）等。更多展覽詳情，請訪問www.mwcshanghai.cn/exhibition.

參與2017世界移動大會-上海

如需了解有關(guān)2017世界移動大會-上海的更多信息，包括參加會議、展覽、合作或贊助方式，請訪問www.mwcshanghai.cn。還可通過LinkedIn、新浪官方微博www.weibo.com/mwcshanghai，以及在微信里搜索“GSMA_MWCS”關(guān)注GSMA微信訂閱號，了解世界移動大會-上海的最新進展。

ADRC Control Technology in Rotation Modulation of Inertial Navigation System

Wang Zhixin1, Shi Xiaofei2,3, Yang Kaiwei2,3,Li Juanjuan2,3
(1.92941Unit, the People’s Liberation Army, Huludao, Liaoning, 125001; 2.The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang, 050081; 3.State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology, Shijiazhuang, 050081)

To solve the nonlinear control problem of inertial navigation system rotational modulation, a nonlinear active disturbance rejection control technology strategy is proposed to instead of the traditional linear PID control technology.

SINS; rotating modulation; ADRC; ESO

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.02.003

TN96

A

1672-7274（2017）02-0012-06