基于状态滤波器的变结构伺服控制器研究
李 伟,韩崇伟,赵宇和
(西北机电工程研究所,陕西咸阳 712099)
摘 要:将离散滑模变结构控制应用于高炮伺服控制器的设计中。先将高炮伺服系统简化成惯性环节和积分环节的二阶数学模型,取伺服系统输出的跟踪角度和跟踪角速度作为系统的状态变量,以及滑模变结构控制的依据。由于滑模变结构控制需要系统的跟踪速度来进行控制,而精确的跟踪角速度值不易直接测量得到,故采用推广Kalman滤波对系统跟踪角度和跟踪角速度进行精确的估计。用估计量代替测量值来实施滑模变结构控制,从而保证系统的性能。仿真结果表明,该方法有效。
关键词:自动控制技术;离散滑模变结构;推广Kalman滤波;伺服系统;高炮
中图分类号:TJ303+.8 文献标志码:A 文章编号:1673-6524 (2008) 01-0054-04
一般工程应用情况下,先将高炮伺服系统简化成惯性环节和积分环节的二阶数学模型,取伺服系统输出的跟踪角度和跟踪角速度作为系统的状态变量,以及滑模变结构控制的依据。
现有的轴角转换器在低速情况下,速度测量输出不精确且伴有高频噪声。若要提高测量角速度的精度,必然会增加轴角转换器的成本。而轴角编码的角度输出也存在误差和噪声,若对测量的角度直接求导,得到速度的同时,也将其中的噪声放大,使所得到的角速度受噪声影响非常严重。若将这两个量直接用于滑模控制,必然大大降低控制性能。
因此,对该类受控系统,笔者采用推广Kalman滤波,对角度和角速度进行精确的状态估计,用估计量代替测量值来实施滑模变结构控制[1],可以克服上述弊端,保证系统性能。
1 直流伺服系统的数学模型
某高炮直流伺服系统简化后的数学模型为:
采用推广Kalman滤波后的滑模变结构控制的正弦跟踪误差如图2所示,其相应跟踪初始误差较大,而稳定后的跟踪误差小于0.2密位。角速度估计曲线如图3所示,角度和角速度的估计误差曲线分别如图4和图5所示。从图中可知,角度估计误差小于0.01密位,角速度估计误差小于0.015密位/秒。由于控制状态采用了角度和角速度估计,避免了传感器引入的测量误差和高频噪声,因而采用推广Kalman滤波的滑模变结构控制,通过状态估计使得角度和角速度两个状态量滤掉过程噪声,然后用于滑模控制,从而使得控制精度提高,其性能要优于对角度直接求导后所得的角速度用于滑模变结构控制的性能。采用直接对测量角度求导得的角速度如图6所示,不用状态滤波的滑模变结构控制的正弦跟踪误差如图7所示,其相应跟踪误差小于0.5密位。
5 结 论
将基于推广的Kalman滤波方法的离散滑模变结构控制应用于伺服跟踪系统中,对跟踪角度和跟踪角速度进行精确估计,避免对跟踪角度直接进行求导后引入的系统误差。通过仿真,其结果表明比未用Kalmam滤波方法的离散滑模变结构控制的跟踪性能有显著的提高,解决了系统跟踪速度难以精确测量的问题。
参考文献:
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[2]刘金琨.滑模变结构控制Matlab仿真[M].北京:清华大学出版社,2005:88-93.
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