基于调平回路的LESO抗干扰方法研究

刘 越洪 娟王 汀闫 禄(北京航天控制仪器研究所北京100039)

基于调平回路的LESO抗干扰方法研究

刘 越，洪 娟，王 汀，闫 禄
(北京航天控制仪器研究所，北京100039)

针对平台台体转位过程中方位角速度对水平通道调平回路的干扰问题，提出了惯导平台调平回路抗干扰方法。将线性扩张状态观测器(LESO)应用于调平回路中，对干扰进行估计并实时补偿。基于调平回路模型，对LESO进行设计及仿真分析。仿真结果表明，LESO能准确估计干扰且动态补偿效果好，较原系统具有更强的抑制干扰能力。

调平回路；抗干扰；LESO；PID

0 引言

以惯性平台建立的坐标系是导弹武器的基准坐标系，在导弹发射前需要进行初始对准，将平台坐标系与发射坐标系对准。初始对准的精度在很大程度上影响导弹系统的导航制导精度及落点偏差，因此对其提出较高的要求［1］。

目前工程中使用的调平回路多采用PID控制，该方法对干扰抑制能力较差，具有一定的局限性。为了能够有效减小外界干扰对调平精度的影响，对调平回路的研究主要集中在控制方法方面，如自抗扰控制(ADRC)、H∞控制等［2⁃3］。本文针对平台台体转位过程，方位角速度对调平回路的干扰，提出了利用线性扩张状态观测器(LESO)对调平回路扰动进行估计并补偿，同时利用仿真模型对扰动的估计及补偿效果进行了仿真验证。

1 调平回路原理

调平回路工作原理如图1所示，以平台坐标系Z轴的调平回路为例，当平台坐标系绕Z轴相对水平面有一个转角θz，X方向的石英表加速度计敏感到重力分量－gθz而产生的角度信号。调平回路采用低通滤波算法滤除石英加速度计的输出噪声后，经过校正网络控制输出，再经加矩电路得到加矩电流施加给陀螺仪力矩器，陀螺仪产生的控制信号经过稳定回路作用驱动平台绕Z轴转动，直至消除绕Z轴的转角，使平台X轴回到当地水平面位置。

2 调平回路扩张状态观测器设计

2.1 平台初始对准误差方程

平台误差方程体现了平台坐标系与基准坐标系之间的失调关系，是研究初始对准的数学基础［4］。平台误差方程和加速度计的误差方程共同构成了初始对准系统的误差方程，如式(1)所示。

其中，φi(i＝x，y，z)为平台坐标系相对地理坐标系漂移的失调角；ηij(i＝x，y，z；j＝x，y，z)为i陀螺仪绕j轴的安装误差角；D(i)(i＝x，y，z)为陀螺漂移；ui(i＝x，y，z)为指令平台加矩速率；ΩA为地速天向投影，ΩN为地速北向投影；f(i)(i＝x，z)为加速度计输出；Δ(i)(i＝x，z)为加速度计的零位偏差；g为地球重力加速度；ϕ为台体轴与东向夹角。

2.2 扩张状态观测器

自抗扰控制的核心在于采用了扩张状态观测器(ESO)，实现对被控对象广义扰动的实时精确估计，并将得到的广义扰动的估计应用到补偿控制中去，使闭环动态系统具有较好的抗扰性能。因此，ESO的估计效果是影响自抗扰控制器控制性能的核心因素［5］。原始ESO采用非线性误差反馈机制设计，结构复杂，实施困难［6］；此外采用线性误差反馈设计ESO，仍能取得较好的估计效果，在工程中更为实用［7］。本文将采用线性误差反馈机制，针对平台调平回路实际对象，进行LESO的设计。

给出一个2阶非线性系统，非线性函数f(x1，x2，t)未知：

引入线性反馈，建立如式(3)所示的LESO：

f(x1，x2，t)为系统的总扰动，β01、β02和β03为所选取的适当参数，b＾为控制输入增益b的估计值。z1和z2分别是系统输出y及其导数的估计，z3为系统总扰动f(x1，x2，t)的实时估计。若选取控制量u为：

将式(4)带入式(2)中，由于z3为f(x1，x2，t)的精确估计，最终系统(式(2))通过采用式(4)中的控制率，可化为积分串联型，实现了扰动补偿，便于实际控制实施且保证控制效果。

2.3 调平回路LESO的设计

调平回路仿真模型如图2所示。取原被控对象的输入和输出作为LESO的输入量，线性扩张观测器的状态变量z2为待估计的扰动信号。已有调平回路控制器为PID控制器。

以平台系统X轴调平回路为例，依据式(1)和式(3)，令调平回路总扰动f(x1，x2，t)为D（x）－uyηxz＋uzηxy＋φzΩA＋φzΩNcosϕ，则可设计2阶的LESO如下：

针对具体工程实际，将选取适当LESO增益β01和β02，完成LESO的设计。根据参数选择原则和大量仿真，系统带宽的适应范围很宽，易调整出合适的数值。为保证一定的估计精度，取较大的回路增益［7］，本文中该系数设计为β01＝50，β02＝1500。

3 仿真验证

平台台体转位时，方位角速度会对调平回路产生一定干扰且为常值，为了验证加入LESO的调平回路对方位角速度干扰的抑制效果，本文用阶跃信号模拟该项调平回路干扰，进行验证。令调平回路干扰为幅值0.01(°)／s阶跃信号，图3为干扰曲线及LESO估计的曲线。从图3中看出，辨识曲线在0.1s后无超调地跟踪上干扰信号，跟踪效果好。

当调平回路存在上述扰动时，考察本文中提出的LESO估计补偿方法对调平回路的性能影响。加入幅值为0.01(°)／s延时5s的阶跃干扰，图4为PID控制与加入LESO的PID控制调平回路响应(台体偏角)曲线对比图，可以看出加入干扰前，调平回路响应均稳定；加入干扰后，PID控制调平回路的台体偏角超调量为0.026°，调节时间为23s；采用PID加LESO补偿机制，台体偏角超调量为0.0004°，调节时间为13s。

仿真结果表明：采用LESO补偿机制，系统扰动波动量为不采用LESO机制的1／65，且调节时间减少10s，干扰响应快速且平稳。

4 结论

为降低平台台体转位过程中方位角速度对水平通道的精度影响，本文提出了基于调平回路的LESO抗干扰的方法，并对提出的方法进行了仿真实验验证。结果表明，LESO可以有效地估计出干扰信号，用于补偿时精度高、响应快、效果较好，加入LESO的调平回路抑制方位角速度扰动作用明显，可大大提高调平回路的抗扰能力和精度。

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Research on Disturbance Rejection Method of LESO Based on the Platform Level Loop

LIU Yue，HONG Juan，WANG Ting，YAN Lu
(Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039)

In this paper，the anti interference method for platform level loop is proposed，aiming at disturbances of platform level loop brought in by azimuth angular velocity when the platform rotated.LESO was applied to estimated and compensated disturbances in real time in level loop.The paper designed LESO based on the platform level loop model and simulate.The simulation results show that LESO can accurately estimate the disturbance and the dynamic compensation is effective Compared with the original system，platform level loop enhance the ability of restraining interference.

platform level loop;disturbance rejection;LESO;PID

U<666.1 文献标志码：A class="emphasis_bold">666.1 文献标志码：A 文章编号：1674⁃5558(2017)02⁃01311666.1 文献标志码：A

1674⁃5558(2017)02⁃01311

A 文章编号：1674⁃5558(2017)02⁃01311

10.3969／j.issn.1674⁃5558.2017.02.014

刘越，女，硕士，导航、制导与控制专业，研究方向为平台系统设计。

2016⁃08⁃19