羅國庫 董全林 孫美林 賈志軍 劉麗國

摘要： ? ? ?激光半主動導引頭是各型激光制導導彈的核心部件， 為實現目標的精準打擊提供可靠保障。 在導彈的飛行過程中， 導引頭易受到內外部擾動的影響， 其視軸也會產生振蕩， 以致無法實現穩(wěn)定的目標探測。 因此， 實現視軸穩(wěn)定是保證導引頭高性能工作的前提。 本文采用自抗擾控制算法， 對導引頭內外部擾動進行總體估計并給予相應補償， 使得導引頭視軸的振動得以大幅隔離， 從而實現視軸的相對穩(wěn)定及高精度控制。

關鍵詞： ? ? 激光導引頭; 視軸穩(wěn)定; 擾動; 自抗擾; 隔離度

中圖分類號： ? ? TJ765.3+32; TP273文獻標識碼： ? ?A文章編號： ? ? 1673-5048（2019）02-0034-05

0引言

激光制導屬于導彈制導的末制導方式， 抗干擾能力強、 制導精度高， 廣泛應用于各型導彈。 然而， 導彈在飛行過程中易受到發(fā)動機、 氣流等的干擾而始終處于振動狀態(tài)， 從而耦合到導引頭內部的光電探測器， 使得激光導引頭的視軸產生振蕩干擾， 以致不能精準鎖定目標。 在導引頭內部， 直流力矩電機的力矩干擾、 摩擦干擾等， 也會對導引頭的性能產生影響。 在內外干擾的作用下， 激光半主動導引頭的性能會受到較大影響。 因此， 對激光導引頭的視軸進行穩(wěn)定， 并實現對內外部擾動的隔離就是激光制導的核心工作之一。

在針對導引頭視軸穩(wěn)定的工作中， 目前最常用的就是采用速率陀螺來敏感方位和俯仰兩方向的角速率干擾， 反饋到控制器來進行補償。 對于視軸穩(wěn)定的控制， 目前在實際中應用最廣泛的還是經典控制技術， 以及在在經典控制上改進的方法，比如文獻[1]提出的基于BBO優(yōu)化PID參數的控制方法， 文獻[2]提出的力矩擾動補償和陀螺相位校正穩(wěn)定回路設計， 文獻[3]采用LQG和Kalman實時估計擾動并給予補償來提升控制精度。 先進控制方法也逐漸應用于穩(wěn)定平臺， 如魯棒控制器[4]、 自適應模糊控制器[5]、 自適應神經網絡[6]以及自適應逆控制[7]等。

1導引頭穩(wěn)定平臺工作原理

1.1導引頭框架結構分析

半主動激光導引頭的主要功能是實現擾動的隔離， 使得視軸穩(wěn)定以及對目標的穩(wěn)定跟蹤。 本文所研究的對象是兩軸兩框架導引頭， 見圖1。

導引頭俯仰和方位兩個方向軸在結構上相互獨立， 可以看成是兩個單軸結構的組合， 而且兩軸的控制方式及工作原理相似， 在對其進行研究時， 可任取其中一軸來進行研究[8]。 因此， 本文主要對內框架——方位軸的視軸穩(wěn)定進行研究。

半主動激光導引頭的單軸控制系統(tǒng)主要由電流環(huán)、 速度環(huán)及跟蹤環(huán)三個閉環(huán)結構組成， 其結構

框圖見圖2。 主要包含直流力矩電機、 速率陀螺、 旋轉電位計、 控制器等元件。 閉環(huán)結構中， 電流環(huán)抑制結構中電流的波動， 來實現電流的穩(wěn)定。 速率陀螺測量角速率干擾， 反饋到控制器進行相應處理， 并產生相應的補償信號輸出到直流力矩電機， 通過電機的相應動作來實現視軸的穩(wěn)定。 旋轉電位計測量實際框架角， 并與目標框架角比較， 來實現預期的目標跟蹤。

1.2擾動分析

半主動激光導引頭是以光學設計、 精密機械、 數字信號采集與處理、 電機控制、 慣性導航等多學科結合的精密設備。 因此， 影響導引頭視軸穩(wěn)定的因素有很多， 按其來源分主要有內擾和外擾。

內部擾動主要來源于載體運動時各軸系和元件之間的摩擦[9]、 電機工作時的力矩干擾以及安裝過程中穩(wěn)定平臺質心和轉軸的偏移等[10]， 這些干擾都具有隨機性; 外部擾動主要由于導彈在飛行過程中， 受到氣流、 彈體外形以及發(fā)動機振動等的影響， 彈體會產生相應的振動， 這些振動會通過轉軸逐步耦合到穩(wěn)定平臺， 使得光電探測器上的光斑也會產生相應波動， 致使不能精準捕獲目標。

因此， 隔離擾動需要從多方面來進行。 機械設計方面需要對平臺安裝進行校準， 選取的材料摩擦系數應盡量相對較小， 電氣設計應屏蔽電磁干擾， 元器件應性能穩(wěn)定可靠， 控制算法方面采用自抗擾控制算法， 將內外干擾總體估計并給予相應補償， 來實現擾動隔離， 提升導引頭控制精度。

1.3穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)組成

穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)模型如圖3所示。 在設計電流環(huán)時， 由于控制電流的動態(tài)變化很快， 而反電動

航空兵器2019年第26卷第2期羅國庫， 等： 自抗擾技術在激光導引頭視軸穩(wěn)定中的應用圖3穩(wěn)定平臺模型框圖

勢的變化速度相對較慢， 一般可忽略反電動勢對電流環(huán)的影響[11]。 通過對電流控制器的合理設置， 可使得電流環(huán)的閉環(huán)控制傳遞函數 GI（s）≈1。 導引頭相關參數如表1所示。

2ADRC控制器設計

自抗擾控制算法是韓京清研究員在PID控制的基礎上， 基于PID控制的五項缺點而設計的一種新型控制算法[12]。 其結構主要由三部分組成， 見圖4， 分別為跟蹤微分器（TD）、 擴張狀態(tài)觀測器（ESO）以及非線性誤差反饋控制律（NLSEF）。 其中， 跟蹤微分器的作用是安排合理的過渡過程， 并給出此過程的微分信號; 擴張狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)內擾和外擾進行總體估計; 非線性誤差反饋控制律是根據擴張狀態(tài)進行擾動補償。 相比較于傳統(tǒng)PID控制， 自抗擾控制具有超調低、 收斂快以及抗干擾能力強等優(yōu)點[13]。

2.1跟蹤微分器設計

傳統(tǒng)控制方法中， 對于一個階躍輸入， 系統(tǒng)會因此而產生超調輸出。 跟蹤微分器根據階躍信號和系統(tǒng)的“承受能力”來安排一個合適的過渡過程， 然后讓系統(tǒng)的輸出跟蹤這個安排的過渡過程， 就能實現快速而又無超調地跟蹤階躍信號的目的， 并且使控制器的魯棒性和適應性得到較大的改善[14]。 對于二階跟蹤微分器， 其離散形式為

x1（k+1）=x1（k）+T·x2（k）

x2（k+1）=x2（k）+T·fst（x1（k）， x2（k），

u（k）， r， h） （1）

式中： T 為采樣周期; ?u（k） 為第k 時刻的輸入信號; ?r 為決定跟蹤快慢的參數， 稱為速度因子， 而h為輸入信號被噪聲污染時， 決定濾波效果的參數， 稱為濾波因子。 ?fst（·） 函數可以通過以下公式進行計算：

δ=r·h

δ0=δ·h

y=x1-u+h·x2

a0=δ2+8ry （2）

a=x2+yhy≤δ0

x2+0.5（a0-δ）·signyy>δ0 ?（3）

fst=-r·aδa≤δ

-r·signaa>δ （4）

其中， 可調參數為速度因子r和濾波因子h。

2.2擴張狀態(tài)觀測器設計

擴張狀態(tài)觀測器是通過狀態(tài)誤差反饋的方式來觀測被控對象己建模部分之外的擾動， 并將觀測到的未知擾動值視為一個狀態(tài)變量， 原系統(tǒng)就被改造為高階的串聯積分系統(tǒng)， 并通過反饋的方式將觀測到的未知擾動作用到控制器的輸出上抵消擾動。

在非線性系統(tǒng)情況下， 常見的ESO為

e=z1-y

fe=fal（e， α1， δ）

fe1=fal（e， α2， δ）

z1=z1+h（z2-β01e）

z2=z2+h（z3-β02fe+bu）

z3=z3+h（-β03fe1） （5）

其中

fal（e， α， δ）=eδ1-ae≤δ

easignee>δ ?（6）

2.3控制器設計

在自抗擾控制器中， 由于使用了擴張狀態(tài)觀測器， 控制器中就沒有必要使用積分環(huán)節(jié)了。 在線性反饋下， 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與反饋增益成反比， 而在非線性反饋下， 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與使用的非線性反饋函數有關， 所以可以構造適當的非線性函數來完成反饋環(huán)節(jié)[10]。 自抗擾控制器中的非線性反饋函數形式如下：

u0=β1·fal（x1-z1， α01， δ）+

β2·fal（x2-z2， α02， δ） （7）

u=u0-z3/b（8）

用這種技術設計的控制器， 具有超調小、 收斂速度快、 精度高、 抗干擾能力強、 算法簡單等特點。 ADRC 利用非線性結構從根本上克服了經典PID 所固有的缺陷， 其基本思想和方法與傳統(tǒng)控制器相比有很大的突破。

2.4控制器參數整定

根據ADRC控制參數整定經驗[15]， 以及多次仿真結果， 并對其應用實驗， 可整定出ADRC控制參數如表2所示。

3.1仿真結果

根據已建立的導引頭數學模型， 利用Matlab中的Simulink工具搭建相應的系統(tǒng)模型。 分別建立PID控制模塊和ADRC控制模塊， 對穩(wěn)定平臺進行控制仿真。 分別在輸入為0的基礎上， 對平臺框架的兩種控制方式施加5 （°）/1 Hz和3 （°）/2 Hz的正弦信號作為彈體擾動， 仿真結果見圖5。

3.2實測結果

將導引頭水平固定在三軸轉臺中心， 跟蹤前方激光目標模擬器產生的靜態(tài)目標。 轉臺在對應導引頭偏航方向上分別以5 （°）/1 Hz和3 （°）/2 Hz的正弦信號擺動， 單次轉動持續(xù)10個周期以上。 測試并記錄導引頭的框架角信號。 實測結果如圖6所示。

實測結果中， 5 （°）/1 Hz擾動下導引頭方位軸框架角的波動幅度約為±0.025°， 相對隔離度大約為0.5%; 3 （°）/2 Hz擾動下導引頭方位軸框架角的波動幅度約為-0.025°～0.013°， 相對隔離度大約為0.63% 。 可知ADRC算法對擾動抑制效果較好， 符合預期2%的要求。

4結論

本文在對導引頭結構及擾動分析的基礎上， ?針對導引頭穩(wěn)定平臺的精準數學模型難以獲得、 經典PID控制不能有效克服系統(tǒng)模型參數的變化和不確定干擾影響的情況， 為提升系統(tǒng)的控制性能， 設計了基于ADRC的視軸穩(wěn)定控制算法。 通過隔離測試的仿真和實際實驗， 相比于經典控制方法， 該控制器能大幅提升對導彈擾動的抑制能力， 為實現目標的精準打擊提供了可靠保障。

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