红外目标模拟器中分离镜的滑模变结构控制_

红外目标模拟器中分离镜的滑模变结构控制
   吴振远，梅晓榕，冯汝鹏
   （哈尔滨工业大学控制科学与工程系，哈尔滨150001）
   摘要：针对红外目标模拟器中分离镜伺服系统的抗干扰控制问题，本文利用变结构控制响应快速，对系统参数变化和外部扰动不灵敏的特点设计了一个滑模变结构控制器。采用指数趋近律与饱和函数相结合的方法对滑模控制器的抖振进行了有效抑制。采用机理分析方法建立了分离镜系统的数学模型。在仿真过程中，利用S函数描述摩擦模型，简化了仿真建模，提高了仿真速度。通过数字仿真并与传统PID控制方法相比较，证明滑模控制器对于分离镜伺服系统的参数摄动和外部干扰具有良好的鲁棒性，可以保证和提高整个红外制导仿真实验系统的仿真精度和实验结果的置信度。
   关键词：红外制导仿真系统；分离镜；滑模变结构控制；鲁棒性；红外目标模拟器
   中图分类号：TP273文献标志码：A
   1引言
   红外制导仿真实验是红外制导武器的重点仿真工程。红外目标/干扰模拟器是红外制导仿真实验系统的重要组成部分，它为红外导引头提供红外目标源和系统中可能出现的干扰信号，使得在实验室内能够对红外导引头的捕捉目标能力、跟踪能力、抗干扰能力和一些动态性能给出比较精确的评价结果。红外目标/干扰模拟器的结构图见图1，其中分离镜的转动能使目标光路和干扰光路分离，从而模拟系统中可能出现的干扰信号。但分离镜系统因自身偏心及外部摩擦的影响受到很大扰动，因此控制分离镜系统使其稳定运行，对于保证整个红外制导仿真实验系统的仿真精度和提高实验结果的置信度具有重要意义[1]。
   本文采用滑模变结构控制理论设计控制器，利用趋近律与饱和函数相结合的方法抑制滑模控制器的抖振，使得分离镜闭环伺服系统稳定运行。最后与传统PID控制方法相比较证明滑模控制器对于分离镜系统的参数摄动和外部干扰具有良好的鲁棒性。

   2  分离镜系统的结构和模型分析
   2.1分离镜系统的结构分析
   在红外目标/干扰模拟器中，分离镜被固定在一个俯仰框架上并随之运动。分离镜的转动由与其相连的电机带动，为减少传动环节，消除机械传动所带来的间隙非线性的影响，分离镜与电机轴直接相连，但它们之间的摩擦会对分离镜的稳定运行产生干扰。分离镜的机械结构决定了其具有严重的偏心，使得在俯仰运动中重力和惯性力都产生很大的扰动。分离镜的实际转角利用角度传感器进行测量和反馈，通过控制器形成闭环伺服控制系统，分离镜的结构图如图2所示。

    采用Simulink进行仿真时，利用S函数来实现Stribeck摩擦模型，相比于利用Simulink标准模块构建摩擦模型的方法，简化了仿真建模，提高了仿真效率。指令输入信号为：r=0.5sin(0.25πt），分别采用PID控制和滑模变结构控制(SMC），仿真结果如图6～图11所示。
   由图6和图7可以看到，受偏心和摩擦的影响，PID控制的位置跟踪误差大，存在明显的滞滑现象。在零速时，PID控制速度跟踪存在明显的死区，跟踪误差较大，过死区时间长。由图8和图9可见，SMC能够克服偏心和摩擦的影响，精确地跟踪目标信号的位置变化，显著削弱死区影响，缩短过渡过程时间。
   在图10中，PID的稳态误差为0.15rad，SMC的稳态误差为0.02rad，可见滑模变结构控制器能保证和提高分离镜伺服系统的跟踪精度，有效抑制滞滑运动，对系统的参数摄动和外部干扰具有良好的鲁棒性。

5 结论
本文在建立分离镜系统数学模型的基础上，采用Stribeck摩擦模型，分析了系统所固有的偏心和外部摩擦对系统的影响，设计了滑模变结构控制器。通过仿真研究与传统PID控制相比较证明滑模变结构控制器能有效抑制参数摄动和外部干扰对系统的影响，保证分离镜系统的控制精度，使其具有良好的鲁棒性，从而提高红外制导仿真实验系统的仿真精度和实验结果的置信度。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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