CN104090577A - 一种基于自抗扰的天线位置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于自抗扰的天线位置控制方法，所述方法包括：利用电机的电压平衡方程和转矩平衡方程，建立天线位置控制系统的数学模型；根据所述天线位置控制系统的数学模型，确定天线位置控制系统的状态方程，并建立二阶扩张状态观测器，其中，天线实际位置角度为所述状态方程的状态量；预设天线位置控制角度，比例微分器接收到天线位置控制指令后，对预设的天线位置控制角度进行处理，同时，所述二阶扩张状态观测器实时估测天线位置控制系统的扰动，并将补偿值实时反馈给所述比例微分器，以输出天线位置控制信号，控制天线指向；本发明可以提高测控天线的抗干扰能力、降低天线系统的超调量。

Description

一种基于自抗扰的天线位置控制方法

技术领域

本发明涉及航天器测控领域，特别涉及一种基于自抗扰的天线位置控制方法。

背景技术

随着我国航天事业的飞速发展，月球和深空探测等新型和高密度航天器发射任务对测控天线总控制系统提出了更高的指标要求，不仅要有更高的跟踪精度，良好的动态性能，较好的低速平稳性，还应有更好的抗干扰能力和可靠性。

目前，公知的天线位置控制普遍采用PID控制器，其核心思想是利用反馈误差调节系统，直接处理误差反馈信号，但是直接处理误差反馈信号将导致系统要求达到的快速响应与平稳性间的矛盾、消除输入与输出误差与处理误差信号时引入噪声间的矛盾等等；且PID控制器对系统参数的改变和内、外干扰适应性较差，在复杂环境干扰下一次性整定得到的PID参数不能保证其控制效果长期稳定地保持最佳状态。

基于此，现有技术确实有待于改进。

发明内容

本发明需解决的技术问题是提供一种天线位置控制方法，以提高测控天线的抗干扰能力、降低天线系统的超调量。

为了解决上述问题，本发明提供一种基于自抗扰的天线位置控制方法，其采用的技术方案如下：

S1、利用电机的电压平衡方程和转矩平衡方程，建立天线位置控制系统的数学模型；

S2、根据所述天线位置控制系统的数学模型，确定天线位置控制系统的状态方程，并建立二阶扩张状态观测器，其中，天线实际位置角度为所述状态方程的状态量；

S3、预设天线位置控制角度，比例微分器接收到天线位置控制指令后，对预设的天线位置控制角度进行处理，同时，所述二阶扩张状态观测器实时估测天线位置控制系统的扰动，并将补偿值实时反馈给所述比例微分器，以输出天线位置控制信号，控制天线指向。

优选的，所述步骤S1中根据电机的电压平衡方程和转矩平衡方程，得到的天线位置控制系统的数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_a=K_e{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_m+R_a{I}_a+L_a\frac{{\mathrm{dI}}_a}{\mathrm{dt}}\\ K_m{I}_a=\frac{1}{N}{M}_L+J_m{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_m\\ J_a{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_a=K_g(\frac{1}{N}{\mathrm{\θ}}_m-{\mathrm{\θ}}_a)\end{array}\right.$

其中，U_a为电机电枢端电压，K_e为电机反电势系数，为电机轴旋转角速度，R_a为电机电枢回路总电阻，I_a为电机电枢电流，L_a为电机电枢回路总电感，K_m为电机力矩系数，N为齿轮箱变比，M_L为天线负载折算到电机轴输出端力矩，J_M为电机轴转动惯量，为电机轴旋转角加速度，J_a为天线转动惯量，为天线实际旋转角加速度，θ_a为天线实际旋转角度，K_g为齿轮箱输出轴端等效刚度。

优选的，所述步骤S2进一步包括：

S21、定义天线位置控制系统的状态量，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}y={\mathrm{\θ}}_a\\ x_1=y\\ x_2=d\end{array}\right.$

其中，y是输出量，x₁，x₂均为状态量，且x₁为天线实际旋转角度θ_a，x₂为扩张状态量；d为天线位置控制系统的扰动量；

S22、根据所述天线位置控制系统的状态量，确定天线位置控制系统的状态方程，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=x_2+b_0{U}_g\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=\mathrm{\ξ}\\ y=x_1\end{array}\right.$

其中，是x₁的一阶微分值、是x₂的一阶微分值，U_g为天线位置控制信号，ξ为d的估测值，b₀为U_g的系数；

根据所述天线位置控制系统的数学模型，确定天线位置控制系统的状态方程中b₀的表达式为：

$b_0=\frac{{\mathrm{kK}}_m}{{\mathrm{NR}}_a{J}_m}$

其中，k为位置环路的比例系数；

S23、根据所述天线位置控制系统的状态方程，建立二阶扩张状态观测器，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}e=z_1-y\\ {\stackrel{\·}{z}}_1=z_2+b_0{U}_g-{2\mathrm{\ω}}_{0}e\\ {\stackrel{\·}{z}}_2=-{\mathrm{\ω}}_0^{2}e\end{array}\right.$

其中，e是状态误差，z₁，z₂是二阶扩张状态观测器的输出，且z₁是状态量x₁的估测值，z₂是状态量x₂的估测值，ω₀是二阶扩张状态观测器带宽。

优选的，所述步骤S3中，所述比例微分器传递函数为：

C_PD＝k_P+k_D·s

相应的，所述天线位置控制信号的表达式为：

$U_g=\frac{k_P({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_a)-k_D{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a-z_2}{b_0}$

其中，k_P为比例系数，k_D为微分系数；θ_r为预设天线位置控制角度，天线实际旋转角速度。

本发明的有益效果是：本发明利用二阶扩张状态观测器对天线位置控制系统的扰动进行在线估计补偿，无需依赖于天线位置控制系统的精密建模，减少了测控天线所处地理环境复杂多样、内外干扰各不相同等因素对大型天线控制性能造成的不利影响，以有效减小阵风造成的扰动，消除摩擦环节造成的死区、极限环及低速爬行等现象；同时将比例微分控制方法与自抗扰控制方法相结合，实现两种方法的优势互补，大幅降低了系统的超调量，在建设自动化运行航天测控站中具有良好的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明一实施例的天线总控制系统的结构图；

图2为本发明一实施例的一种基于自抗扰的天线位置控制方法的流程图；

图3为本发明一实施例的一种基于自抗扰的天线位置控制器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明所涉及的天线总控制系统由3个基本控制环路组成，从内到外依次是电流环、速度环以及基于自抗扰ADRC控制的位置环；具体的：

所述位置环通过位置控制器接受天线位置角度指令信号，同时接受编码器采集的天线当前位置角度，完成天线位置的闭环控制；所述位置环的控制对象为速度环、电流环及相应硬件组成的伺服系统；

速度环接受位置控制器的控制指令并通过测速机将电机转速信号转化成电压信号反馈给速度环控制器进行速度调节；

电流环接受速度环控制器的控制指令并通过霍尔传感器将电机电流信号转化成电压信号反馈给电流环PI控制器，同时驱动电机旋转，经过传动机构控制天线到达指定位置角度。

由于位置环能实现天线位置角度的精确控制，是影响天线性能的关键环节，因此本发明只针对天线位置环对天线位置角度的控制进行设计，不涉及速度环控制器和电流环控制器。

如图2所示，本发明提供一种基于自抗扰的天线位置控制方法，其采用的技术方案如下：

S1、利用电机的电压平衡方程和转矩平衡方程，建立天线位置控制系统的数学模型；结合图1可知，在本实施例中，所述天线位置控制系统是指位置环的控制对象，即速度环和电流环及相应硬件组成的伺服系统，该伺服机构以永磁直流电机为核心；所述天线位置控制系统的数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_a=K_e{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_m+R_a{I}_a+L_a\frac{{\mathrm{dI}}_a}{\mathrm{dt}}\\ K_m{I}_a=\frac{1}{N}{M}_L+J_m{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_m\\ J_a{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_a=K_g(\frac{1}{N}{\mathrm{\θ}}_m-{\mathrm{\θ}}_a)\end{array}\right.$

其中，U_a为电机电枢端电压，K_e为电机反电势系数，为电机轴旋转角速度，R_a为电机电枢回路总电阻，I_a为电机电枢电流，L_a为电机电枢回路总电感，K_m为电机力矩系数，N为齿轮箱变比，M_L为天线负载折算到电机轴输出端力矩，J_m为电机轴转动惯量，为电机轴旋转角加速度，J_a为天线转动惯量，为天线实际旋转角加速度，θ_a为天线实际旋转角度，K_g为齿轮箱输出轴端等效刚度。

S2、根据所述天线位置控制系统的数学模型，确定天线位置控制系统的状态方程，并建立二阶扩张状态观测器，其中，天线实际旋转角度为所述状态方程的状态量；具体包括：

S21、定义天线位置控制系统的状态量，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}y={\mathrm{\θ}}_a\\ x_1=y\\ x_2=d\end{array}\right.$

其中，y是输出量，x₁，x₂均为状态量，且x₁为天线实际旋转角度θ_a，x₂为扩张状态量；d为天线位置控制系统的扰动量，是干扰及不确定项的综合，其具体包括负载反馈干扰、未建模动态、风干扰因素等多种因素；

S22、根据所述天线位置控制系统的状态量，确定天线位置控制系统的状态方程，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=x_2+b_0{U}_g\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=\mathrm{\ξ}\\ y=x_1\end{array}\right.$

其中，是x₁的一阶微分值、是x₂的一阶微分值，U_g为天线位置控制信号，ξ为d的估测值，b₀为U_g的系数；

根据所述天线位置控制系统的数学模型，确定天线位置控制系统的状态方程中b₀的表达式为：

$b_0=\frac{{\mathrm{kK}}_m}{{\mathrm{NR}}_a{J}_m}$

其中，k为位置环路的比例系数；

S23、根据所述天线位置控制系统的状态方程，建立二阶扩张状态观测器，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}e=z_1-y\\ {\stackrel{\·}{z}}_1=z_2+b_0{U}_g-{2\mathrm{\ω}}_{0}e\\ {\stackrel{\·}{z}}_2=-{\mathrm{\ω}}_0^{2}e\end{array}\right.$

其中，e是状态误差，z₁，z₂是二阶扩张状态观测器的输出，且z₁是状态量x₁的估测值，z₂是状态量x₂的估测值，ω₀是二阶扩张状态观测器带宽。

进一步的，对步骤S23中的表达式做拉普拉斯变换可得：

$\left\{\begin{array}{c}e=z_1-y\\ z_{1}s=z_2+b_0{U}_g-{2\mathrm{\ω}}_{0}e\\ z_{2}s=-{\mathrm{\ω}}_0^{2}e\end{array}\right.$

由此可得二阶扩张状态观测器的扩张状态项x₂的估测值z₂的表达式：

$z_2=\frac{{\mathrm{\ω}}_0^2(\stackrel{\·}{y}-b_0{U}_g)}{{(s+{\mathrm{\ω}}_0)}^2}$

其中，是y的一阶微分值；

S3、预设天线位置控制角度θ_r，比例微分器接收到天线位置控制指令后，对预设的天线位置控制角度进行处理，同时，所述二阶扩张状态观测器实时估测天线位置控制系统的扰动，并将补偿值实时反馈给所述比例微分器，以输出天线位置控制信号，控制天线指向。

利用比例微分器对预设的天线位置控制角度进行处理，在现有技术中已经公开，此处不再赘述；所述比例微分器传递函数为：C_PD＝k_P+k_D·s；其中k_P为比例系数，k_D为微分系数；相应的，所述天线位置控制信号的表达式为：

$U_g=\frac{k_P({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_a)-k_D{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a-z_2}{b_0}$

其中，天线实际旋转角速度。

由上述分析可知，本发明提供的一种基于自抗扰的天线位置控制方法，等效于提供了一种基于自抗扰的天线位置控制器，所述天线位置控制器包括比例微分器PD和二阶扩张状态观测器ESO，如图3所示，比例微分器负责处理给定的天线位置控制角度，二阶扩张状态观测器用于估测干扰和不确定项，并将补偿值反馈给比例微分器，从而实现在不需要对干扰和不确定项精确建模的前提下，完成复杂干扰条件下的天线位置角度的精确控制，所述比例微分器PD和二阶扩张状态观测器ESO的工作原理参见上述方法中的各公式，此处将不再赘述。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用二阶扩张状态观测器对天线位置控制系统的扰动进行在线估计补偿，无需依赖于天线位置控制系统的精密建模，减少了测控天线所处地理环境复杂多样、内外干扰各不相同等因素对大型天线控制性能造成的不利影响，以有效减小阵风造成的扰动，消除摩擦环节造成的死区、极限环及低速爬行等现象，同时提高天线位置控制系统的跟踪指向精度，对保证天线测控长期精确运行具有实际意义。

2、将比例微分控制方法与ADRC控制方法相结合，实现两种方法的优势互补，本发明控制方法易于实现，能大幅降低系统的超调量，有效克服大型天线惯性过载导致的天线反射面结构变形，防止电零点漂移和标校失准，同时减少传动机构的磨损，提高多电机伺服驱动系统的可靠性，对建设自动化运行航天测控站具有良好的工程应用前景。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (4)

1.一种基于自抗扰的天线位置控制方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、利用电机的电压平衡方程和转矩平衡方程，建立天线位置控制系统的数学模型；

S2、根据所述天线位置控制系统的数学模型，确定天线位置控制系统的状态方程，并建立二阶扩张状态观测器，其中，天线实际位置角度为所述状态方程的状态量；

S3、预设天线位置控制角度，比例微分器接收到天线位置控制指令后，对预设的天线位置控制角度进行处理，同时，所述二阶扩张状态观测器实时估测天线位置控制系统的扰动，并将补偿值实时反馈给所述比例微分器，以输出天线位置控制信号，控制天线指向。

2.如权利要求1所述的基于自抗扰的天线位置控制方法，其特征在于，所述步骤S1中根据电机的电压平衡方程和转矩平衡方程，得到的天线位置控制系统的数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_a=K_e{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_m+R_a{I}_a+L_a\frac{{\mathrm{dI}}_a}{\mathrm{dt}}\\ K_m{I}_a=\frac{1}{N}{M}_L+J_m{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_m\\ J_a{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_a=K_g(\frac{1}{N}{\mathrm{\θ}}_m-{\mathrm{\θ}}_a)\end{array}\right.$

其中，U_a为电机电枢端电压，K_e为电机反电势系数，为电机轴旋转角速度，R_a为电机电枢回路总电阻，I_a为电机电枢电流，L_a为电机电枢回路总电感，K_m为电机力矩系数，N为齿轮箱变比，M_L为天线负载折算到电机轴输出端力矩，J_m为电机轴转动惯量，为电机轴旋转角加速度，J_a为天线转动惯量，为天线实际旋转角加速度，θ_a为天线实际旋转角度，K_g为齿轮箱输出轴端等效刚度。

3.如权利要求2所述的基于自抗扰的天线位置控制方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

S21、定义天线位置控制系统的状态量，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}y={\mathrm{\θ}}_a\\ x_1=y\\ x_2=d\end{array}\right.$

其中，y是输出量，x₁，x₂均为状态量，且x₁为天线实际旋转角度θ_a，x₂为扩张状态量；d为天线位置控制系统的扰动量；

S22、根据所述天线位置控制系统的状态量，确定天线位置控制系统的状态方程，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=x_2+b_0{U}_g\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=\mathrm{\ξ}\\ y=x_1\end{array}\right.$

其中，是x₁的一阶微分值、是x₂的一阶微分值，U_g为天线位置控制信号，ξ为d的估测值，b₀为U_g的系数；

根据所述天线位置控制系统的数学模型，确定天线位置控制系统的状态方程中b₀的表达式为：

$b_0=\frac{{\mathrm{kK}}_m}{{\mathrm{NR}}_a{J}_m}$

其中，k为位置环路的比例系数；

S23、根据所述天线位置控制系统的状态方程，建立二阶扩张状态观测器，其表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}e=z_1-y\\ {\stackrel{\·}{z}}_1=z_2+b_0{U}_g-{2\mathrm{\ω}}_{0}e\\ {\stackrel{\·}{z}}_2=-{\mathrm{\ω}}_0^{2}e\end{array}\right.$

其中，e是状态误差，z₁，z₂是二阶扩张状态观测器的输出，且z₁是状态量x₁的估测值，z₂是状态量x₂的估测值，ω₀是二阶扩张状态观测器带宽。

4.如权利要求3所述的基于自抗扰的天线位置控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述比例微分器传递函数为：

C_PD＝k_P+k_D·s

相应的，所述天线位置控制信号的表达式为：

$U_g=\frac{k_P({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_a)-k_D{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a-z_2}{b_0}$

其中，k_P为比例系数，k_D为微分系数；θ_r为预设天线位置控制角度，天线实际旋转角速度。