基于DSP实现的平台稳定回路自抗扰控制研究
摘要
航海、航空和航天等事业的迅猛发展离不开惯性导航系统，而稳定回路是平台惯导系统的重要组成部分之一，主要用于消除外干扰力矩，使平台跟踪当地地理坐标系。平台的稳定性直接影响导航系统的精度，惯导系统对稳定回路的性能指标的要求越来越高。概括起来，平台稳定系统要求响应速度快，抗干扰能力强，稳态精度高等优良特性。
近年来，非线性自抗扰控制技术得到迅速的发展与应用，它将未建模动特性和未知外扰都归结为对象的未知扰动，用输入输出数据估计并给予补偿，从而实现了动态系统的动态反馈线性化，具有很强的适应性和鲁棒性。因此，本文提出、设计了惯性平台稳定回路的自抗扰控制。其主要内容如下：
1．分析了平台稳定回路的原理及各个组成部分，阐述了它们在稳定回路中的作用，通过对平台稳定系统工作原理和物理结构的剖析，建立了系统未校正时的数学模型，并在此模型的基础上简化了系统，得到了一个标准的控制对象，为以后的自抗扰控制器的设计提供了基础。
2．设计了适合于稳定回路的自抗扰控制器，提出了自抗扰控制器参数的整定方法，并对平台稳定回路的自抗扰控制器进行了仿真。仿真结果表明，通过选择合适的ADRC参数，平台稳定回路可设计成为一个响应速度快，静差小的控制系统，与经典PID控制、引入转速负反馈的双闭环控制和同样在平台稳定回路中使用的自抗扰控制器比较，本文设计的自抗扰控制有较好的控制性能。
3．从软硬件两方面完成数字控制器的设计。在说明了DSP控制系统硬件框架设计方案的基础上，提出和实现了系统的软件设计方案，主要包括以下几大模块：量化、相敏解调、数字滤波、自抗扰控制算法和PWM波形生成。通过仿真发现这些方案现实可行，达到了理想的控制效果。在实际的软件设计中，还考虑了软件抗干扰设计，同时还考虑了代码优化，以便节省系统资源。通过软件实现，本文基本上完成了基于DSP实现的平台稳定回路自抗扰控制。
The inertial navigation system (INS) has a closed relationship with the development of navigation, aviation and spaceflight. And the stabilizing circuits are one of the most important parts in INS, which eliminate the disturbance and make the platform to follow the local level coordinate. The stabilization of the platform has a straight influence to the precision of the inertial navigation system, which leads to increasingly request for higher performance of stabilizing circuits. In a word, the stabilizing circuits for inertial platform require characteristics ofhigh response speed, strong anti-jamming and high accuracy.
These years, as the quickly development and application of the active disturbance rejection controller (ADRC), which are based on the nonlinear control mechanism. The control scheme of the nonlinear ADRC is to treat unmodelled dynamic characteristics and unknown external disturbances of the plant as unknown disturbances, to use input and output data to estimate and compensate, and then to realize the dynamic feedback linearizaion of those dynamic systems with excellent adaptability and robustness. So the paper provided and designed the ADRC using DSP for the inertial platform stabilizing circuits. Its main content is as follows:
1. Introduced the theory and components of stabilizing circuit, expatiated the functions in the inertial platform stabilizing circuits. Through the analysis of operation principle and physical structure, designed a mathematical model of un-mended system, and simplified the system based on it, obtained a standard control object, thus provided a foundation for designing ADRC subsequently.
2. Studied the ADRC theory and design method. Silulation results show that the inertial platform stabilizing circuits can be designed with high response speed, strong anti-jamming and high accuracy. Compared with the classical PID control, double-loop control method using speed reverse feedback and other ADRC, the ADRC desighed here performances much better.
3. Realized the design of digital controller. The DSP realization problems of the ADRC for the inertial platform stabilizing circuits are discussed, and the design scheme for the hardware frame of the DSP control system is introduced simply, and the software design proposal for the system realization which includes qualification, phase sensitive demodulation, digital filter, the algorithm for the ADRC and the creation for the PWM wave are realized. Those schemes are found to be feasible by simulation, and get to the perfect control effectiveness. The disturbances rejection and the code optimization are considered in the design of the software, and the ADRC for the inertial platform stabilizing circuits based on DSP is completed by the software realization.
近年来，非线性自抗扰控制技术得到迅速的发展与应用，它将未建模动特性和未知外扰都归结为对象的未知扰动，用输入输出数据估计并给予补偿，从而实现了动态系统的动态反馈线性化，具有很强的适应性和鲁棒性。因此，本文提出、设计了惯性平台稳定回路的自抗扰控制。其主要内容如下：
1．分析了平台稳定回路的原理及各个组成部分，阐述了它们在稳定回路中的作用，通过对平台稳定系统工作原理和物理结构的剖析，建立了系统未校正时的数学模型，并在此模型的基础上简化了系统，得到了一个标准的控制对象，为以后的自抗扰控制器的设计提供了基础。
2．设计了适合于稳定回路的自抗扰控制器，提出了自抗扰控制器参数的整定方法，并对平台稳定回路的自抗扰控制器进行了仿真。仿真结果表明，通过选择合适的ADRC参数，平台稳定回路可设计成为一个响应速度快，静差小的控制系统，与经典PID控制、引入转速负反馈的双闭环控制和同样在平台稳定回路中使用的自抗扰控制器比较，本文设计的自抗扰控制有较好的控制性能。
3．从软硬件两方面完成数字控制器的设计。在说明了DSP控制系统硬件框架设计方案的基础上，提出和实现了系统的软件设计方案，主要包括以下几大模块：量化、相敏解调、数字滤波、自抗扰控制算法和PWM波形生成。通过仿真发现这些方案现实可行，达到了理想的控制效果。在实际的软件设计中，还考虑了软件抗干扰设计，同时还考虑了代码优化，以便节省系统资源。通过软件实现，本文基本上完成了基于DSP实现的平台稳定回路自抗扰控制。
The inertial navigation system (INS) has a closed relationship with the development of navigation, aviation and spaceflight. And the stabilizing circuits are one of the most important parts in INS, which eliminate the disturbance and make the platform to follow the local level coordinate. The stabilization of the platform has a straight influence to the precision of the inertial navigation system, which leads to increasingly request for higher performance of stabilizing circuits. In a word, the stabilizing circuits for inertial platform require characteristics ofhigh response speed, strong anti-jamming and high accuracy.
These years, as the quickly development and application of the active disturbance rejection controller (ADRC), which are based on the nonlinear control mechanism. The control scheme of the nonlinear ADRC is to treat unmodelled dynamic characteristics and unknown external disturbances of the plant as unknown disturbances, to use input and output data to estimate and compensate, and then to realize the dynamic feedback linearizaion of those dynamic systems with excellent adaptability and robustness. So the paper provided and designed the ADRC using DSP for the inertial platform stabilizing circuits. Its main content is as follows:
1. Introduced the theory and components of stabilizing circuit, expatiated the functions in the inertial platform stabilizing circuits. Through the analysis of operation principle and physical structure, designed a mathematical model of un-mended system, and simplified the system based on it, obtained a standard control object, thus provided a foundation for designing ADRC subsequently.
2. Studied the ADRC theory and design method. Silulation results show that the inertial platform stabilizing circuits can be designed with high response speed, strong anti-jamming and high accuracy. Compared with the classical PID control, double-loop control method using speed reverse feedback and other ADRC, the ADRC desighed here performances much better.
3. Realized the design of digital controller. The DSP realization problems of the ADRC for the inertial platform stabilizing circuits are discussed, and the design scheme for the hardware frame of the DSP control system is introduced simply, and the software design proposal for the system realization which includes qualification, phase sensitive demodulation, digital filter, the algorithm for the ADRC and the creation for the PWM wave are realized. Those schemes are found to be feasible by simulation, and get to the perfect control effectiveness. The disturbances rejection and the code optimization are considered in the design of the software, and the ADRC for the inertial platform stabilizing circuits based on DSP is completed by the software realization.
引文
[1] 黄德铭，程禄．惯性导航系统．北京：国防工业出版社，1986
[2] E. R. OFRSTER. Digital IMUE study. CSDL R—841. 1974.
[3] CSDL. Advanced guidance technology (Volum I) , CSDL. RRR—872. 1975.
[4] Yuri B. Shtessel. Sliding mode stabilization of three axis inertial platform. Proceedings of the 26th Southeastern Symposium. March 1994:P54—58.
[5] Yuri B. Shtessel. Decentralized sliding mode control in inertial navigation systems. Proceedings of the American Control Conference. Washington. June 1995. Volume 5:P3541—3545.
[6] C. Perez, F. R. Rubio. Implementation of an inertial controller for a 2-DOF platform. Proceedings of the 2001IEEE International Conference on Control Applications. Sept 2001:P668—673.
[7] 王鹤祥．微处理机实时控制陀螺平台稳定回路方案探讨．全国第三届空间及运动体控制技术学术会议文集．1983．
[8] 林詹．惯性平台数字稳定回路研究．一院十三所硕士学位论文．1987．
[9] 沈爱玲．惯性平台稳定回路数字控制系统设计．西北工业大学硕士论文．1993．
[10] 高龙，熊光楞，梁德全．状态观测器在调速系统中的应用．清华大学学报．1980(4)：33—46页．
[11] 杨元恺，郎需英．精密转台中摩擦力矩的动态补偿．自动化学报．1993(4)：248—252页．
[12] 林詹，杨立溪．惯性平台稳定回路数字控制器的设计与实现．计算机自动测量与控制．1993(3)：25—29页．
[13] 魏宗康，徐强等．平台稳定回路H_∞鲁棒控制设计．中国惯性技术学报．2001(3)：1—8页．
[14] 魏宗康，徐强等．平台稳定回路有饱和特性时的控制方案设计．惯导与仪表．2001(1)：27—31页．
[15] 魏宗康，徐强等．平台稳定回路的模糊-PID最优控制设计．惯导与仪表．2000(3)：1—8页．
[16] 伍小琴，黄德鸣．平台稳定回路的变结构控制．海南大学学报自然科学版．2001(2)：132—135页．
[17] 翟有新，冯培德．振动条件下平台角振动对惯导系统误差的影响研究．中国惯性技术学报．2000(1)：1—6页．
[18] 李东明，党纪红，郝颖．惯性平台稳定回路的双闭环控制．应用科技．2003(8)：48—50页．
[19] 郝岱鹏，刘德钧．调宽控制稳定系统对陀螺漂移影响的研究．中国惯性技术学报．2001(3)．50—55页．
[20] 宋金来，杨雨等．惯性平台稳定回路的自抗扰控制．系统仿真学报，2002，14(3)．391—393页
[21] 牛立，李莉，庄良杰．惯性平台稳定回路的自抗扰设计．中国惯性技术学报，2004，12(6)．48—51页
[22] 王学军，经典PID的改造与非线性PID控制器，控制理论及其应用年会论文集，1993
[23] 韩京清．一种新型控制器——NLPID．控制与决策，1994，9(6)．401—405页
[24] 韩京清．非线性PID控制器．自动化学报，1994，20(4)．487—489页
[25] 韩京清，王伟，非线性跟踪微分器，系统科学与数学，1994，14(2)，177—183页
[26] 韩京清．非线性PID控制器．自动化学报，1994，20(4)．487—489页
[27] 韩京清，王伟，非线性跟踪微分器的另一种形式，智能控制与智能自动化，科学出版社，北京，1994
[28] 韩京清，利用非线性特性改进PID控制律，1995，24(6)，356—364页
[29] 韩京清．非线性状态误差反馈控制律——NLSEF．控制与决策，1995，10(3)．221—225页
[30] 韩京清．自抗扰控制器及其应用．控制与决策，1998，13(1)．19—23页
[31] 秦继安，沈安俊．现代直流伺服控制技术及其系统设计．机械工业出版社，1999，160—203页
[32] 何克忠，李伟．计算机控制系统．北京：清华大学出版社，1998
[33] 王晓明，王玲．电动机的DSP控制——TI公司DSP应用．北京航天航空大学出版社，2004
[34] 胡光书．数字信号处理——理论、算法与实现[M]．北京：北京清华大学出版社，1997
[35] 张丹红，聂红伟，龙祥，苏义鑫．磁力轴承控制系统中IIR滤波器的设计与实现．武汉理工大学学报．信息与管理工程版，2006，28(1)
[36] 韩京清．从PID技术到“自抗扰控制”技术．控制工程，2002，9(3)．13—18页
[37] 刘和平等编著．TMS320LF240xDSP C语言开发应用．北京航空航天大学出版社，2003
[38] 李文秀主编．自动控制原理．哈尔滨工程大学出版社，2001
[39] Texas Instruments Incorporated 著，徐科军，张兴等编译．TMS320LF／LC24系列DSP的CPU与外设．北京：清华大学出版社，2004
[40] 赵文峰．MATLAB控制系统设计与仿真．西安电子科技大学出版社，2002
[41] 林炳善，任正权，黄健．自抗扰控制器的实践性研究．延边大学学报．2000，26(3)，196—199页
[42] 陈明军，王金．采样信号的数字滤波设计和DSP实现．信息技术．2006，1
[43] 韩安太，刘峙飞，黄海．DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用．北京：清华大学出版社，2003
[44] 赵文峰等编著．控制系统设计与仿真．西安电子科技大学出版社，2002
[45] 黄一，韩京清．非线性二阶扩张状态观测器分析与设计．科学通报，2002，45(13)
[46] 黄焕袍，武利强等．自抗扰控制在火电厂主汽温控制中的应用．系统仿真学报，2005，17(1)
[47] 陈江良，陆志东．基于Matlab的数字滤波器设计及其在捷联惯导系统中的应用．中国惯性技术学．2005，13(6)
[48] 韩京清，黄远灿．二阶跟踪——微分器的频率特性．数学的实践与认 识，2003，33(3)
[49] 黄一，张文革．自抗扰控制器的发展．控制理论与应用，2002，19(4)
[50] 《惯性导航系统》编著小组，惯性导航系统，国防工业出版社，1983
[51] 王振华．惯导平台稳定回路的改进设计研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2004
[52] 陈忻彦，黄一等．自抗扰控制思想在动力调谐陀螺仪力平衡回路中的应用．中国惯性技术学报，2003，11(6)
[53] 郑大钟．线性系统理论．第二版．北京：清华大学出版社，2002
[54] 谈振藩，乐慧康，吴简彤编著．计算机控制及在导航系统中的应用．哈尔滨工程大学出版社，1995
[55] Sanjit K．Mitra 著，孙洪，余翔宇等译．数字信号处理——基于计算机的方法．第二版．北京：电子工业出版社，2005
[56] 梁志国，孙璟宇．调幅信号的数字化解调．测控技术，2004，23(10)
[57] 梁治国．调幅信号的一种数字化精确解调方法．华北工学报，2003，24(1)
[58] 博战捷．AM信号的过调幅实现及解调．电声技术，2005，9
[59] 刘姝延，马秋明等．用双线性变化设计IIR数字滤波器．商秋师范学院学报，2005，21(5)
[60] 高锋阳，李强．基于嵌入式微计算机的IIR数字滤波器设计实现．计量与测试技术，2004，12
[61] 郑文来，赵志卿．软件无线电中的调制解调算法及DSP实现．天中学刊，2004，19(5)
[62] John G．Proakis，Masoud Satehi，Gerhard Bauch 著．刘树棠译．现代通信系统(MATLAB版)(第二版)．电子工业出版社，2005，82-86页
[2] E. R. OFRSTER. Digital IMUE study. CSDL R—841. 1974.
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