[发明专利]一种采用自抗扰控制技术的船载摄像稳定平台控制方法

权利要求书

1.一种采用自抗扰控制技术的船载摄像稳定平台控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1)、通过分析方位、俯仰和横滚三个方向子系统的组成，建立船载摄像稳定平台控制系统模型，串联后所得的摄像稳定平台各方向子系统的三阶传递函数模型是：

θ(s)u(s)=bs3+a2s2+a1s---(1)]]>

其中，R为电枢回路总电阻，L为电枢回路的电感，C_e为电动势系数，C_m为电机额定励磁下的转矩系数，J为电机的转动惯量，K_α为功放的传递函数，i是传动机构的减速比，θ(s)为电机转角的拉氏变换，u(s)为导通电压的拉氏变换；

将传递函数模型(1)转换为如下状态空间模型：

x·1(t)=x2(t)x·2(t)=x3(t)x·3(t)=-a1x2(t)-a2x3(t)+bu(t)---(2)]]>

其中，x₁(t)为摄像稳定平台的转角，x₂(t)为摄像稳定平台的转动角速度，x₃(t)为摄像稳定平台的转动角加速度，u(t)为控制量，即导通电压；

将状态空间模型(2)以采样周期T离散化得到如下离散化的状态空间模型：

x1(k+1)=x1(k)+Tx2(k)x2(k+1)=x2(k)+Tx3(k)x3(k+1)=x3(k)+T[-a1x2(k)-a2x3(k)+bu(k)]---(3)]]>

步骤2)、为参考角度安排过渡过程并设计跟踪微分器，使摄像稳定平台转动角度尽可能快而无超调地跟踪上参考角度；参考角度的过渡过程信号及其微分跟踪器按如下方程给出：

v1(k+1)=v1(k)+hv2(k)v2(k+1)=v2(k)+hv3(k)v3(k+1)=v3(k)+hfsfs=-r(r(r(v1(k)-θ(k))+3v2(k))+3v3(k))---(4)]]>

其中，v₁(k)是对摄像稳定平台的转动参考角度安排的过渡过程信号，v₂(k)和v₃(k)分别是此过渡过程信号的近似一阶微分信号和近似二阶微分信号，fs为快速综合函数；r为快速跟踪因子，与过渡过程达到稳态值想要的时间成反比，且受系统承受能力制约；h为积分步长；

步骤3)、设计扩张状态观测器，获得摄像稳定平台的转角、角速度、角加速度以及总和扰动量的估计值；

对于如式(3)所示的摄像稳定平台离散时间系统模型，令x₄(k)＝-a₁x₂(k)-a₂x₃(k)作为扩张出的新的状态变量，并记那么状态扩张后的摄像稳定平台离散时间系统模型是：

x1(k+1)=x1(k)+Tx2(k)x2(k+1)=x2(k)+Tx3(k)x3(k+1)=x3(k)+T[x4(k)+bu(k)]x4(k+1)=x4(k)+Tw(k)---(5)]]>

系统模型(5)的扩张状态观测器是：

e(k)=z1(k)-x1(k)fe=fal(e(k),α1,δ)fe1=fal(e(k),α2,δ)fe2=fal(e(k),α3,δ)z1(k+1)=z1(k)+h(z2(k)-β01e(k))z2(k+1)=z2(k)+h(z3(k)-β02fe)z3(k+1)=z3(k)+h(z4(k)-β03fe1+b0u(k))z4(k+1)=z4(k)+h(-β04fe2)---(6)]]>

其中，e(k)是摄像稳定平台转动角度估计值与实际转动角度的差，z₁(k)是摄像稳定平台实际转动角度x₁(k)的估计值，z₂(k)是摄像稳定平台转动角速度x₂(k)的估计值，z₃(k)是摄像稳定平台转动角加速度x₃(k)的估计值，z₄(k)是扩张状态变量x₄(k)即系统总和扰动的估计值，b₀是对状态空间模型(2)中b的估计值。h是积分步长，fal(e(k),α_i,δ)是一非线性函数，具体表达式如下:

fal(e(k),αi,δ)=e(k)δ1-αi,|e(k)|≤δ|e(k)|αisign(e(k)),|e(k)|>δ---(7)]]>

其中，α_i为幂指数，在扩张状态观测器中一般取δ为线性段的区间长度，sign()为符号函数，并具有如下形式：

sign(x)=1,x>00,x=0-1,x<0---(8)]]>

β_0i(i＝1,K,4)、δ为一组待整定参数；

步骤4)、根据扩张状态观测器和跟踪微分器的输出获得摄像稳定平台的转角、角速度、角加速度的跟踪误差，将这些误差信号通过非线性组合获得误差反馈控制律；

根据步骤3)中的扩张状态观测器和步骤2)中的跟踪微分器的输出得到如下误差信号：

e1(k)=v1(k)-z1(k)e2(k)=v2(k)-z2(k)e3(k)=v3(k)-z3(k)---(9)]]>

其中，e₁(k)是摄像稳定平台的转角跟踪误差，e₂(k)是摄像稳定平台的角速度跟踪误差，e₃(k)是摄像稳定平台的角加速度跟踪误差，这些误差量经过非线性组合得到误差反馈控制律u₀，其中β_i和α_i是待整定的参数，β_i为各误差的反馈增益，参考PD控制增益进行调节；将由步骤3)获得的总和扰动的估计值z₄(k)通过形如的补偿过程得到最终的控制量u(k)，那么如式(5)所示的摄像稳定平台离散状态空间模型转化为：

x1(k+1)=x1(k)=Tx2(k)x2(k+1)=x2(k)+Tx3(k)x3(k+1)=x3(k)+Tu0(k)---(10)]]>

摄像稳定平台控制系统的总和扰动被补偿消除，成为不含扰动项的积分串联型系统。