基于TMS240的慣性導航系統(tǒng)ADRC溫控系統(tǒng)設計

魏 東，趙智姝，劉 剛

（海軍航空兵學院 飛行理論系，遼寧 葫蘆島 125000）

基于TMS240的慣性導航系統(tǒng)ADRC溫控系統(tǒng)設計

魏 東，趙智姝，劉 剛

（海軍航空兵學院 飛行理論系，遼寧 葫蘆島 125000）

文中針對加速度計和IF漂移和加速度計的零位偏差。而影響這兩種慣性元件的主要因素就是受工作溫度影響過大，并提出一種實用的ADRC溫度控制方法，根據(jù)環(huán)境溫度和被控對象溫度，合理選擇溫度控制點、控制方式和控制算法。研究系統(tǒng)有傳統(tǒng)PID、ADRC下對溫度對系統(tǒng)綜合性能的影響，這項措施，有效地降低了溫度對加速度計和IF儀的影響。

ADRC；激光慣性導航；溫度控制；PID

人造衛(wèi)星和航天飛船上都使用了姿態(tài)控制系統(tǒng)里面都是通過激光加速度計和IF儀來測量的，而激光加速度計和IF儀受外界環(huán)境溫度影響較大，加速度計和IF儀是決定慣性系統(tǒng)精度的核心部件,由于其對溫度敏感度大,溫度漂移成為其主要的誤差源之一，溫度變化對加速度計和IF精度的影響主要反映在兩個方面：一是加速度計和IF器件材料性能本身對溫度的敏感性;二是周圍溫度場對加速度計和IF工作狀態(tài)的影響。因此當要求工作在高精度場合時,為了提高精度,必須進行必要的溫控措施。

自抗擾控制算法（ADRC）。ADRC是中國科學院研究員韓京清，經過多年攻關，自主研發(fā)的世界領先控制技術，它具有算法簡單、自抗擾控制能力顯著、魯棒性強、系統(tǒng)響應快等特點，可廣泛應用于溫度、壓力、流量、液位等各種控制系統(tǒng)，尤其是在大時滯、環(huán)境大干擾、對象特性變化較大的場合更能顯示出其優(yōu)點，是一項完全能夠替代PID控制技術的新型控制技術[1-8]。ADRC已獲中國和日本的發(fā)明專利，并在美國和日本的高科技領域得到實際應用。自抗擾控制儀控制精度高、性能可靠、控制方式多樣，具有當代國際同類產品的先進水平。

1 控制方案設計

激光慣性導航系統(tǒng)由激光陀螺、加速度計和電路部分兩部分組成，擬定激光陀螺輸出采用軟件溫度補償?shù)姆绞?，對石英加速度計、I/F轉換電路及光路本體進行溫控。為避免環(huán)境溫度對慣性器件的影響，本體采用兩級溫控方案，一級溫控點選取必須要高于+50℃環(huán)境溫度，但也不能超過+70℃，對元器件的安全造成影響，一級溫控點設在+51℃±2℃，為了保證電路的長期穩(wěn)定性，溫控精度小于±2℃。二級溫控針對溫度敏感部件，其控溫點選取必須要高于一級溫控點+50℃，加速度計溫控點設在58℃±2℃，I/F轉換電路溫控點設在58℃±2℃，同時，為保證慣性器件精度一致性、長期穩(wěn)定性，要求加速度計溫控精度小于±0.2℃，I/F轉換電路的溫控精度小于±0.5℃。

溫控質量有兩種途徑可保證：一是隔離外界溫度變化的干擾，使激光加速度計和IF儀溫度場均勻分布讓慣性器件局部溫度受外界干擾最??；二是提高加熱效率，縮短熱不平衡狀態(tài)的時間和減小溫度超調量。為此，設計了分級和分時段的控制方法。

如果僅對加速度計、I/F轉換電路進溫控設計，外界環(huán)境溫度在零度以下時，在規(guī)定的時間內，加速度計單獨進行一級控溫無法實現(xiàn)溫度恒定。因而采用兩級控溫的方案，先在光路本體內設計一級控溫，其溫控點設定比環(huán)境溫度高，避免環(huán)境溫度對其影響。再對加速度計設計二級控溫，第二級溫控是在第一級溫控的基礎上進行控制，溫度梯度小，內部溫度場分布均勻，所以二級控溫可達到高精度要求。I/F轉換電路采樣一級溫控就能滿足要求。通常光路本體的一級控溫點為51℃±2℃，與二級控溫點保持一定的梯度，控溫精度要求小于±2℃。系統(tǒng)分級溫控示意圖1所示。

圖1 統(tǒng)分級溫控示意圖

為了使系統(tǒng)工作溫度能以最快速度達到溫控點并穩(wěn)定下來，系統(tǒng)通電后采用分時段控制方式如圖2所示。上電初始為全速加熱階段（0～t1），此時，控制對象上的加熱器以全功率工作，溫度快速上升。當溫度接近各自的設定點時，溫控進入第2階段即脈寬調制階段（t1～t2），此時，溫度傳感器的實時溫度進入處理器結合控制算法，計算出PWM相應的占空比，調節(jié)加熱電流，當被控對象的溫度升高到設定點時，系統(tǒng)的加熱功率與熱耗散功率保持動態(tài)平衡，當被控對象的溫度超過設定點則停止加熱，以自然散熱迫使其降溫。

加溫電流的分配要充分考慮各部分的重量、體積大小，還要考慮其中元器件對溫度的敏感程度。溫控電路最大加溫電流應設在一個合理范圍，加溫電流太小造成加溫時間過長，加溫電流太大就要求系統(tǒng)提供更多的能量，增加總體的重量與體積，造成不必要的浪費。通常對加溫電流在20 A以下慣性導航系統(tǒng)，因光路本體重量大且安裝了加速度計和加速度計和IF等慣性器件，它們的升溫時間和控溫精度將直接影響到慣性導航系統(tǒng)的導航精度，而電予箱中除I/F轉換板外，其余部分對環(huán)境溫度要求不高，故將大部分加溫電流分配給光路本體。光路本體加溫電流約為12 A，電路部分加溫電流為6 A左右。

圖2 分時段控制方式

2 溫控算法選擇

傳統(tǒng)PID控制雖然簡單實用，但是有很多局限：

1）線性PID控制器的控制律是誤差的比例、積分、微分三者的線性組合。但實際情況是，線性組合往往不是最佳選擇，容易引起快速性和超調之間的矛盾。

2）理想微分器的物理不可實現(xiàn)性。實際微分器往往用一個慣性超前環(huán)節(jié)或者是差分器代替，這些環(huán)節(jié)往往對噪聲信號起了很大的放大作用，造成微分信號不能使用。

3）PID控制器的積分作用是為消除系統(tǒng)靜差而引入的。但它同時也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，還可能引起積分飽和現(xiàn)象。

而自抗擾控制有如下諸多優(yōu)點：

1）利用安排過渡過程解決了快速性與超調之間的矛盾。

2）取消了積分環(huán)節(jié)也能實現(xiàn)無靜差，避免了積分反饋帶來的副作用。

3）將時間尺度作為控制對象的唯一標準，打破了線性與非線性的界限。

4）只需考慮靜態(tài)解耦，無需考慮動態(tài)解耦。

5）同PID一樣，無需了解被控對象的精確模型。

所以選擇ADRC控制算法對溫控系統(tǒng)進行設計。

自抗擾控制器[10]綜合了經典調節(jié)理論與現(xiàn)代控制理論的優(yōu)點，提出一種“觀測+補償”的方法，可有效處理系統(tǒng)中的非線性與不確定性問題，同時配合非線性的反饋方式，提高控制器的動態(tài)性能。

自抗擾控制器ADRC由跟蹤微分器TD、擴張狀態(tài)觀測器ESO和非線性反饋控制律NLSEF 3個部分組成，其結構圖如圖3所示。

圖3 自抗擾控制器結構圖

由圖4可以看出，ADRC是一種基于TD處理參考輸入，ESO估計系統(tǒng)狀態(tài)、模型和外擾，實施NLSEF控制的非線性控制器。V0（t）為系統(tǒng)參考輸入，y（t）為系統(tǒng)輸出，w（t）為系統(tǒng)擾動。ADRC 不依賴對象的精確模型，用過程誤差反饋來消除誤差，其核心部分是，系統(tǒng)的模型不確定性和外擾處于同等地位，均可用ESO估計出其實時作用量而給以補償，從而將有未知外擾作用的非線性、不確定對象化為簡單的積分串聯(lián)型，實現(xiàn)對象的線性化和確定性化。由于ESO的雙通道補償結構，對系統(tǒng)擾動不必采用ADRC原理進行處理，從而無需積分器來消除靜差，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。TD可提供高信噪比的微分信號，同時對參考輸入安排過渡過程，結合NLSEF緩解了調節(jié)的快速性和超調之間的矛盾，提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。

自抗擾控制器（ADRC）由跟蹤微分器（TD）、擴張狀態(tài)觀測器（ESO）、非線性控制環(huán)節(jié)構成，3個部分有機地結合起來控制被控對象[11-13]。TD跟蹤輸入信號并給出其微分信號，通過TD安排過渡過程，使得被控對象以平滑的方式向目標逼近。ESO以對象的輸出 y（t）和輸入 u（t）作為其輸入，估計出對象的狀態(tài)變量及對象不確定部分，通過TD、ESO得到的信號做差，以此作為構造控制量的基礎，把差值通過一定的轉換（線性的或非線性的）得到控制量，最后作用到被控對象上。由于可以估計不確定部分，因此ADRC具有很高的控制效率。

下面以二階被控對象的控制為例說明這3個部分的功能與計算方法，其功能框架如圖4所示。

圖4 常規(guī)PID控制設計的溫控系統(tǒng)原理框圖

圖5 自抗擾控制器原理框圖

ΔR-----測溫電橋有鉑電阻的一臂的阻值變化；

KB-----測溫電橋鉑電阻與電橋輸出電壓之間的轉換系數(shù)，電路確定以后可以根據(jù)電路參數(shù)進行計算，為常數(shù)；

ΔU-----測溫電橋輸出電壓；

KA-----前置放大環(huán)節(jié)增益，電路確定后為常數(shù)；

U1------放大器輸出電壓；

Gc（s）----校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)；

U2------校正環(huán)節(jié)輸出的PWM控制信號；

Gp（s）----驅動級傳遞函數(shù)；

P-------驅動級輸出功率；

G（s）----加速度計和IF內部的傳遞函數(shù)，它表示加速度計和IF內部溫度對加熱功率之間的放大倍數(shù)，即熱量與溫度之間的轉換關系，是加速度計和IF內部組件總熱容量的倒數(shù)；

D（s）-----系統(tǒng)熱擾動，包括元器件的溫度漂移、加速度計和IF轉子轉速變化引起的熱擾動和環(huán)境溫度的變化等等，為便于分析我們將其集中表示為 D（s）。

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件以TMS320LF2407A DSP控制器為核心組成控制單元，用鉑電阻作為測溫傳感器，分別對3只石英加速度計、I/F轉換器及本體共計5路信號進行溫度信號采樣，經系統(tǒng)控制算法后，調節(jié)PWM控制器，光電隔離后，送入功率驅動電路，完成對加熱器的加溫控制。硬件系統(tǒng)結構圖見圖6所示。

以其中一路溫控電路為例進行說明，溫度信號由鉑電阻取樣，經溫度采樣電路完成電平轉換，送入TMS320LF2407A內的A/D轉換單元，轉換成數(shù)字型溫度電壓Vc，與控制信號Vr相減，產生誤差信號Ek，Ek根據(jù)的大小，分時段控制實現(xiàn)相應的控制策略，完成對PWM信號調節(jié)，經光電隔離后，送至功率驅動電路，完成對加溫器的加熱控制，達到實現(xiàn)溫度控制功能。

圖6 硬件系統(tǒng)結構圖

4 仿 真

以前的類似系統(tǒng)多采用常規(guī)PID控制，那么采用ADRC控制究竟具有什么優(yōu)越性呢？下面我們將通過仿真實驗對ADRC溫控系統(tǒng)和原常規(guī)PID溫控系統(tǒng)進行比較。

根據(jù)實測模型和最終的系統(tǒng)設計，確定ADRC溫控系統(tǒng)參數(shù)如下：Rth=0.193°C/W、τ0=6 300 s、KT=1.56 Ω/°C、KB=8.66×10-4V/Ω、KA=5 000、α=0.3 S、β=0.5S、RT=18 Ω。

原常規(guī)PID溫控系統(tǒng)參數(shù)都已確定，并且調整達到最優(yōu)，其中K′A=10000，其他參數(shù)與ADRC溫控系統(tǒng)對應參數(shù)相同。

考慮到溫控對象的實際特點，為了更好的反映兩者對本系統(tǒng)的控制效果，仿真時在控制對象中都加入一個30 S的純滯后環(huán)節(jié)。圖8為兩種控制系統(tǒng)在正弦擾動下的階躍響應。

仿真的系統(tǒng)指標初為下面

按系統(tǒng)要求，與溫控系統(tǒng)有關的技術指標如下：

1）系統(tǒng)工作環(huán)境溫度：-40℃～50℃

2）溫控溫度穩(wěn)定點：58℃±2℃

3）溫控電源：28V±3V溫控最大加溫電流：≤5 A

4）向加速度計溫控系統(tǒng)溫控精度要求：±0.2℃；I/F板溫控系統(tǒng)溫控精度要求：±0.5℃

5）溫控溫度穩(wěn)定時間：在環(huán)境溫度為20±10℃條件下，溫控系統(tǒng)從加電起至溫度穩(wěn)定時間不大于40 min。

圖7 控制效果和擾動仿真

5 結 論

在激光慣性導航系統(tǒng)中，加速度計和IF的精度對于整個系統(tǒng)的精度起著很重要的作用，而溫度又是影響導航精度精度的主要因素之一。因此，如何控制好系統(tǒng)內部的溫度，成為了慣性導航系統(tǒng)的關鍵技術之一。文中正是從工程實際出發(fā)，研究和設計了基于ADRC控制的高精度溫控系統(tǒng)。

采用ADRC控制方法對溫控系統(tǒng)進行了設計，其設計原理簡單、跟蹤調節(jié)性能好、魯棒性強、參數(shù)整定直觀明了、能消除不可測干擾的影響，是一種設計和分析預測控制系統(tǒng)的有力工具，仿真和實驗表明該算法無論在控制精度和抗干擾性能方面都有很大的提高。。

另外，采用微處理器（TMS320FL2407）作為核心部件，對系統(tǒng)的硬件和軟件進行了設計、調試與實驗。最后進行了系統(tǒng)實驗，實驗結果表明控溫精度優(yōu)于±0.05℃，很好地滿足了設計指標的要求。

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Design of ADRC temperature control system for inertial navigation system based on TMS240

WEI Dong，ZHAO Zhi-shu，LIU Gang
（Department of Flight Theory，Navy Fly of Academy，Huludao 125000，China）

This paper is based on the zero deviation of the accelerometer and IF drift and accelerometer.And influence factors of the two inertial element is affected by the temperature effect，and put forward a practical temperature of ADRC control method according to the ambient temperature and the temperature of the controlled object，reasonable choice of temperature control points，control method and control algorithm.The research system has the influence of the traditional PID and ADRC on the temperature of the system，which can effectively reduce the influence of the temperature on the accelerometer and IF meter.

ADRC； Laser inertial navigation； temperature control； PID

TN99

：A

：1674－6236（2017）14-0143-05

2016-05-19稿件編號：201605184

魏 東（1977—），男，河北衡水人，碩士，講師。研究方向：飛行器總體設計。