基于遗传算法的陀螺稳定平台速度环的自抗扰控制

【摘要】陀螺稳定平台是惯性导航、制导及测量系统中的核心设备,它能够有效地隔离运动载体的扰动从而尽可能地保持平台稳定,以保证搭载在平台上的光电跟踪设备(相机、望远镜和武器设备等)的视轴能够精确稳定地指向特定的目标。陀螺稳定平台广泛应用于各种军事和民用工程中。随着工程应用领域对系统控制精度要求的不断提高,传统的PID控制技术已经难以满足对陀螺稳定平台越来越来高的性能要求,因此对陀螺稳定平台进行新的控制方案的设计,已经成为研究的一项热点。自抗扰控制技术可以实时地估计补偿被控系统内的各种扰动,是近年来受到广泛关注和研究的一种新型的控制策略。自抗扰控制技术具有经典PID控制不依赖被控系统精确模型的优点,且控制算法具有较强的鲁棒性,在解决传统PID控制无法解决的控制问题上,得到了大量的应用研究。本论文主要研究具有两轴四框架结构的机载光电陀螺稳定平台上的基于遗传算法的自抗扰控制器的设计问题,所做的具体工作可归纳如下：(1)在两轴四框架陀螺稳定平台内方位速度环的非线性模型基础上,将自抗扰控制技术引入陀螺稳定平台的控制系统中。在陀螺稳定平台内方位速度系统上设计自抗扰控制器时,考虑了实际的系统特性以及设计简单、工程上易于实现的原则,将参考信号直接引入速度环系统,即采用方程为1的过渡过程安排环节,反馈控制律选用工程上常用的PI反馈,而在设计扩张状态观测器时通过选用线性函数的方式将其中配置非线性函数的问题转变成配置参数的问题,大大降低了设计的难度,这为自抗扰控制在陀螺稳定平台上的应用推广提供了一种良好的设计思路。(2)在设计自抗扰控制器中的扩张状态观测器时,采用遗传算法进行参数寻优。由于自抗扰控制器的参数设计并没有完善的理论指导,在工程上通常直接进行调试的做法需要很强的经验性和技巧性,这里,在得到扩张状态观测器的稳定性条件后,采用遗传算法工具箱来进行扩张状态观测器的参数辨识：通过调用MATLAB中集成的遗传算法工具箱,对编写的适应度函数进行寻优搜索,最终得到在不同适应度函数下的四组不同的参数值。采用遗传算法工具进行扩张状态观测器的参数辨识,效率是非常高的,在对应的适应度函数下能迅速得到参数的最优值,这避免了根据经验进行调试的盲目性,在工程应用上也是一种高效的策略。(3)进行仿真平台的建立及实验分析。由于平台在正常情况下都是工作在低速环境,此时非线性摩擦力矩是系统的主要干扰因素。在研究课题小组前期工作所建立的非线性摩擦力模型的基础上,在Simulink中搭建自抗扰控制系统的仿真平台。在实验中,对遗传算法工具箱辨识出的四组参数下的扩张状态观测器对于被控系统状态和总和扰动的估计性能进行评价,通过对比确定最终的参数值。之后,在速度开环系统中进行扰动估计补偿的实验,将扩张状态观测器估计的扰动引入到被控系统的输入量中,以抵消摩擦力矩对于系统的影响。最后,对自抗扰控制系统的性能进行仿真实验分析,并与实际系统所采用的PI控制的仿真结果进行对比。
【作者】瞿永飞；
【导师】丛爽；
【作者基本信息】中国科学技术大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】自抗扰控制；陀螺稳定平台；两轴四框架；速度环；遗传算法；

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