半捷联导引头稳定平台的双环滑模变结构控制

滑模变结构控制研究综述滑模变结构控制作为一种非线性控制，与常规控制的根本区别在于控制的不连续性。

它利用一种特殊的滑模控制方式，强迫系统的状态变量沿着人为规定的相轨迹滑到期望点。

由于给定的相轨迹与控制对象参数以及外部干扰变化无关，因而在滑模面上运动时系统具有比鲁棒性更加优越的不变性。

加之滑模变结构控制算法简单，易于工程实现，从而为复杂工业控制问题提供了一种较好的解决途径。

本文首先介绍了变结构理论，并着重描述了滑模面设计、滑模条件、抖动问题、离散变结构、状态观测等方面的原理和方法，然后介绍了其主要应用情况，最后对本研究工作的发展方向进行了展望。

1 变结构控制理论变结构控制是前苏联学者Emelyanov、Utkin和Itkin在二十世纪六十年代初提出的一种设计方法[1、2、3]。

当初研究的主要是二阶和单输入高阶系统，并用相平面法来分析系统特性。

进入二十世纪七十年代，则开始研究状态空间线性系统，使得变结构控制系统设计思想得到了不断丰富，也提出了多种变结构设计方法。

但这其中只有带滑动模态的变结构控制被认为是最有发展前途的。

所谓滑动模态是指系统的状态被限制在某一子流形上运动。

一般来说，系统的初始状态未必在该子流上，而变结构控制器的作用就在于把系统的状态在有限时间内驱动到并维持在该子流形上。

这一过程称为到达过程。

这里变结构控制体现在非线性控制，使得以下设计目标得以满足：（1）滑动模态存在（2）满足到达条件：在切换面0S i以外的相轨迹将于有限时间内到x)(达切换面（3）滑模运动渐近稳态并具有良好的动态品质而以上三个设计目标可归纳为下面两个设计问题：选择滑模面和求取控制律。

下面我们针对几个问题叙述变结构控制系统的发展情况。

1.1 滑模面设计变结构控制通常要求具有理想的滑动模态，良好的动态品质和较高的鲁棒性，这些性能要通过适当的滑模面来实现。

线性滑模面的设计有极点配置、几何、最优控制等多种方法，文献[4]中列举了较常见的。

第47卷第"期V o l.47 N o.8红外与激光工程Infrared and Laser Engineering201"年"月A u g.2018基于ESO的导引头稳定平台双积分滑模控制张明月刘慧储海荣张玉莲孙婷婷苗锡奎2(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033;2.中国洛阳电子装备试验中心光电对抗测试评估技术重点实验室，河南洛阳471000)摘要：为了提高导引头稳定平台抗扰性及速度稳态跟踪性能，提出了一种基于扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)的双积分滑模控制器（Double Integral Sliding Mode Controller，DISMC)。

首先，采用二阶扩张状态观测器对系统的未知扰动进行估计；然后，采用了双积分滑模控制器实现了系统的低稳态误差跟踪，同时采用了改进的幂次趋近律来削弱控制系统的抖振影响；最后，采用导引头稳定平台进行目标跟踪实验和隔离度性能测试。

实验结果表明，与传统基于扰动观测器(Disturbance Observer，DOB)的P I控制方法相比，跟踪3 (°)/s的梯形波时，在提出的控制器作用下速度跟踪快速性提高了48 ms，跟踪误差标准差提高了0.0131 〇/s。

同时用转台模拟弹体扰动分别为sin(!t)。

、3sin(5!t)。

、7sin(2!t)。

时，系统的隔离度分别提高了2.91%、0.45%、0.7%，表明基于扩张状态观测器的双积分滑模控制器对导引头稳定平台具有较强的抗扰性和较好的跟踪性能。

关键词：导引头稳定平台；双积分滑模控制器；隔离度；扩张状态观测器中图分类号：TJ765.3 文献标志码：A D O I：10.3788/IRLA201847.0817009Double integral sliding mode control based on ESOfor stabilized platform of seekerZhang Mingyue1, Liu Hui1, Chu Hairong1, Zhang Yulian1, Sun Tingting1# Miao X ikui2(1. C h a n g c h u n Institute o f Optics, F i n e M e c h a n i c s a n d Physics, C h i n e s e A c a d e m y o f Sciences, C h a n g c h u n130033,C h i n a;2. K e y L a b o r a t o r y o f Elec t r o-O p t i c a l C o u n t e r m e a s u r e s Tes t& E v a l u a t i o n T e c h n o l o g y,L u o y a n g Electronic E q u i p m e n t Tes t Ce n t e ro f C h i n a,L u o y a n g471000,C h i n a)A b s t r a c t:In order to reduce the influence of disturbances on the stabilized platform of seeker, an improved double integral sliding mode controller (DISMC) based on extended state observer (ESO) was proposed in this paper. Firstly, the second order extended state observer was used to estimate the unknown disturbances of the system. Secondly, a double integral sliding mode controller was adopted to achieve low steady-state error tracking; meanwhile, the improved power reaching law was adopted to reduce the chatting magnitude. Finally, the performances of tracking and disturbance rejection rate were carried out on the stabilized platform of seeker. The results showed that compared with the traditional PI controller based on disturbance observer(PI-DOB), when the system tracked the trapezoidal wave at 3(°)/s, response time of LOS rate was reduced by 48 ms, and the standard deviation of tracking error was reduced by 0.013 1 (°)/s with the proposed controller. Meanwhile, the turntable generated a periodic motion with收稿日期！2018-03-13;修订日期：2018-04-17基金项目：中国洛阳电子装备试验中心光电对抗测试评估技术重点实验室开放课题(G K C P2017001,G K C P2017002)作者简介：张明月（1986-),女，助理研究员，博士，主要从事惯性稳定平台运动学、动力学与控制方面的研究。

滑模变结构控制及应用滑模变结构控制（Sliding Mode Control，SMC）是一种具有强鲁棒性和抗扰动能力的非线性控制方法。

它是20世纪80年代发展起来的一种控制方法，它通过在滑模面上引入一个不连续函数来实现对系统状态的高频率的转换控制，从而将控制系统的性能提高到一个新的水平。

滑模变结构控制在自动控制领域中得到了广泛的研究与应用，下面我将就其基本原理、设计方法以及应用领域进行详细介绍。

滑模变结构控制的基本原理：滑模变结构控制的基本原理是引入一个滑模面，通过使系统状态在滑模面上进行快速的滑动，从而达到控制系统的稳定性和鲁棒性。

在滑模面上，系统状态由于受到控制输入和系统的非线性特性的影响而发生快速切换，从而使系统状态的滑动速度不断变化，最终达到滑动面的稳定状态。

滑模控制器利用滑模面上的控制输入来驱动系统状态沿着滑模面滑动，以实现状态的稳定和跟踪。

滑模变结构控制的设计方法：滑模变结构控制一般包括滑模面的设计和滑模控制器的设计两个步骤。

滑模面的设计要求其具有可实现性、稳定性和鲁棒性等特性，常用的滑模面设计方法包括等效控制、非线性控制、线性控制等。

滑模控制器的设计包括产生控制输入和产生滑模面两个部分，常用的滑模控制器设计方法包括理想滑模控制器、改进滑模控制器、自适应滑模控制器等。

滑模变结构控制的应用领域：滑模变结构控制在各个领域中都有广泛的应用，下面我将就几个典型的应用领域进行介绍。

1. 机械控制系统：滑模变结构控制在机械控制系统中应用广泛，例如机械臂控制、机械手控制等。

滑模变结构控制可以提供强鲁棒性和抗扰动能力，可以保证机械系统在复杂环境下的精确运动和稳定控制。

2. 电力系统：滑模变结构控制在电力系统中的应用主要包括电力系统稳定控制、电力系统调度控制等。

滑模变结构控制可以有效地处理电力系统中的不确定性和扰动，提高电力系统的稳态和动态性能。

3. 交通运输系统：滑模变结构控制在交通运输系统中的应用包括车辆控制、交通信号控制等。

导引头稳定平台离散时间预设性能控制
卜祥伟;王雅珺;雷虎民
【期刊名称】《空军工程大学学报》
【年(卷),期】2024(25)2
【摘要】针对现有离散时间预设性能控制方法对滑模趋近律依赖度高、抖振缺陷明显的难题,通过创建一种摆脱了滑模控制的设计新框架,为拦截弹导引头稳定平台提出了一种离散时间预设性能控制新方法。

首先,设计一种离散时间性能函数对跟踪误差的收敛轨迹进行包络约束;然后,定义一种离散时间转换误差并将其用于构造一种新颖的反馈函数;设计离散时间控制律对新开发的反馈函数而不是转换误差进行镇定,不仅保证了所有跟踪误差均具有期望的预设性能,还摆脱了控制算法对滑模趋近律的依赖性,从根本上解决了控制抖振难题;最后,通过数值对比仿真验证了所提方法的有效性与优势。

【总页数】7页(P14-20)
【作者】卜祥伟;王雅珺;雷虎民
【作者单位】空军工程大学防空反导学院;94860部队
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.基于干扰观测器的导引头稳定平台滑模控制
2.相控阵雷达导引头数字稳定平台性能对导弹制导控制系统的影响
3.基于半捷联光电稳定平台的导引头控制技术研究
4.
导引头稳定平台的扰动补偿及改进滑模控制5.两轴平台式导引头伺服系统预设性能控制
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基于双环自适应滑模控制的高速列车运行追踪
冯庆胜;薛祥希;姜增鹏
【期刊名称】《自动化与仪表》
【年(卷),期】2024(39)3
【摘要】针对列车高速运行跟踪控制问题,提出了一种基于双环结构的RBF神经网络自适应滑模控制算法。

首先系统结构分为位移与速度控制子系统,防止列车因单个控制器故障而失控;在此基础上采用积分滑模控制,加强控制器的鲁棒性;同时在速度子系统中引入参数自适应算法与RBF神经网络自适应算法削弱列车受到基本阻力、附加阻力以及不确定性阻力带来的影响;最后通过Lyapunov稳定性分析证明系统的稳定性。

通过仿真实验结果表明,位移误差在[-3.3×10^(-4),1.9×10^(-4)]范围以内,速度误差在[-2.1×10^(-2),3.1×10^(-2)]范围以内,该算法可以实现对列车的速度与位移精确追踪。

【总页数】7页(P26-32)
【作者】冯庆胜;薛祥希;姜增鹏
【作者单位】大连交通大学自动化与电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP27
【相关文献】
1.基于鲁棒滑模观测器的高超声速飞行器双环滑模控制
2.基于分数阶滑模自适应神经网络的中速磁浮列车运行控制方法
3.基于干扰观测器的高速列车RBF自适应滑模控制方法
4.基于双环自适应滑模的移动机器人轨迹跟踪控制
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第27卷第2期2009年3月北京工商大学学报(自然科学版)Journal of Beijing Technology and Business University (Natural Science Edition )Vol 127No 12Mar.2009 文章编号:167121513(2009)022*******基于跟踪微分器的导引头半捷联稳定系统半实物仿真研究赵　刚,　郭　华,　杨树兴(北京理工大学宇航科学技术学院,北京100081)摘　要:为计算平台惯性角速度,将跟踪微分器应用到导引头半捷联稳定系统中.介绍了跟踪微分器原理,对基于跟踪微分器的导引头半捷联稳定系统进行了数字仿真和半实物仿真,仿真结果表明导引头半捷联稳定系统的稳定性能随弹体扰动频率升高而降低,典型弹体扰动下半捷联稳定系统的稳定性能满足指标要求.关键词:跟踪微分器;半捷联稳定;导引头;半实物仿真中图分类号:T J 76513 文献标识码:A收稿日期:2008-11-03作者简介:赵　刚(1967—),男,四川成都人,博士研究生,研究方向为飞行器设计;郭　华(1958—),男,吉林敦化人,高级工程师,博士研究生,研究方向为飞行器设计;杨树兴(1962—),男,河北唐山人,教授,博士生导师,主要从事飞行器方面的设计研究. 为了减小体积和降低成本,速率陀螺稳定导引头有向半捷联稳定导引头发展的趋势.与速率陀螺稳定导引头相比,半捷联稳定导引头的稳定平台上去掉了速率陀螺,因此失去了直接测量平台惯性角速度的能力[1].为实现平台稳定,可以采用角位置补偿和角速度补偿两种方法.其中,角速度补偿法是速率陀螺稳定平台的一种替代方法,即用弹体角速度与框架角速度测量的合成来替代原来由速率陀螺完成的测速功能,这种方案算法简单,而且可以直接提取视线角速度.但具体实现过程中,如何完成平台的方位和俯仰跟踪角速度反馈是个难题,一般可以通过测速机或数值微分来获得,但是在测量噪声较大的情况下,将给框架速度环引入微分噪声[1].跟踪微分器(tracking differentiator ,TD )是韩京清于1994年提出的[2],用于解决实际工程问题中由不连续或带随机噪声的量测信号合理提取连续信号及微分信号的问题[3].跟踪微分器利用了数值积分优于数值微分的事实,将给定信号的微分问题转化为对一组微分方程的积分问题,可以很好地实现对信号的跟踪和微分.跟踪微分器自诞生后已产生了多种改进形式,并获得了广泛应用[4].论文将跟踪微分器应用到导引头半捷联稳定系统中,用于由框架角位置信号提取框架角速度信号.搭建了半捷联导引头半实物仿真平台,通过半实物仿真研究不同频率弹体扰动下导引头半捷联稳定系统的隔离度,对半捷联导引头是否具备工程可行性给出了结论.1　跟踪微分器跟踪微分器的原理如图1,描述为:输入信号为v (t ),输出两个信号x 1(t )和x 2(t ).其中,x 1(t )能最快地跟踪输入信号v (t ),x 2(t )是x 1(t )的微分,可以作为输入信号v (t )的微分.实际中使用的是跟踪微分器的离散形式[5],其表达式为52图1　跟踪微分器原理示意x 1(k +1)=x 1(k )+h ・x 2(k )x 2(k +1)=x 2(k )+h ・f han (x 1(k )-v (k ) x 2(k ),r ,h 0)′,式中f han 为最速综合函数,调用方式为f han (u 1,u 2,u ,h 0),具体表达式为d =rh 2,a 0=h 0u 2,y =u 1+a 0a 1=d (d +8|y |)a 2=a 0+sign (y )(a 1-d )/2s y =(sign (y +d )-sign (y -d ))/2a =(a 0+y -a 2)s y +a 2s a =(sign (a +d )-sign (a -d ))/2fhan =-rad-sign (a )s a -r sign (a ).在跟踪微分器中,需要设计的参数有3个,积分步长h ,滤波因子h 0和快速因子r ,分别决定了微 分精度、滤波效果和跟踪速度.仿真中需要调试3个参数的值,使得微分效果最佳.2　导引头半捷联稳定系统数字仿真在进行半实物仿真试验验证前,首先要进行数字仿真,在数字仿真成功后才可以进行半实物仿真.数字仿真可以为半实物仿真提供参数初始设计值,提高半实物仿真效率.依照导引头半捷联稳定原理,考虑各种干扰力矩和测量噪声,建立半捷联稳定回路模型如图2.图中弹载陀螺为弹载角速率陀螺模型,TD 为跟踪微分器,角传感器为框架角位置传感器,噪声为传感器测量噪声,这里取为实际电位计的测量噪声±0105°,电机为力矩电机模型,01243为电机反电动势系数,0105为简化成继电环节的摩擦力矩系数,增益为功率放大器,控制器为PI 控制器.令跟踪指令为零,分别输入2°1Hz 、4°015Hz 和5°012Hz 的弹体扰动,观察平台惯性角度输出如图3～图5,计算不同频率弹体扰动下半捷联稳定系统的隔离度.图2　半捷联稳定回路模型 根据隔离度计算公式[6],隔离度=平台相对惯性空间转动的角度弹体相对惯性空间转动的角度×100%,计算得到3种不同频率弹体扰动下半捷联稳定系统的隔离度分别为5%、3%和2%.可以看出,半捷联稳定系统对弹体扰动的去耦能力是随弹体扰动频率的升高而降低的.以4°015Hz 为典型弹体扰动,5%为典型弹体扰动下稳定系统的隔离度指标,可以知道半捷联稳定系统的数字仿真结果是满足指标要求的.3　导引头半捷联稳定系统半实物仿真在数字仿真结果证明基于跟踪微分器的半捷联稳定系统满足隔离度指标要求后,还需要进行半实物仿真验证.半实物仿真是所有仿真中置信度最高的,其结果可以作为仿真的最终结论.在半实物仿真中,使用三轴运动转台模拟弹体运动,半捷联导引头由某型速率陀螺稳定平台式电视导引头改装得到,弹载计算机由单片机搭建,对各设备进行连接调试,组成半实物仿真系统.62北京工商大学学报(自然科学版) 2009年3月图3　2°1H z 弹体扰动下平台惯性角度数字仿真输出曲线图4　4°015Hz 弹体扰动下平台惯性角度数字仿真输出曲线图5　5°012Hz 弹体扰动下平台惯性角度数字仿真输出曲线令目标静止,转台模拟2°1Hz 、4°015Hz 和5°012Hz 的弹体扰动,使用角速率陀螺测量得到平台的惯性角度输出,分别如图6～图8.计算得到3种不同频率弹体扰动下半捷联稳定系统的隔离度分别为10%、415%和3%.同样,半捷联稳定系统的稳定性随弹体扰动频率升高而降低,典型弹体扰动下半实物仿真结果表明半捷联稳定系统隔离度同样满足指标要求.图6　2°1Hz 弹体扰动下平台惯性角度实物仿真输出曲线图7　4°015Hz 弹体扰动下平台惯性角度实物仿真输出曲线图8　5°012Hz 弹体扰动下平台惯性角度实物仿真输出曲线比较半实物仿真与数字仿真结果还可以看出,同样弹体扰动下半实物仿真输出较数字仿真输出大,其原因可能是数字仿真中对干扰力矩和测量噪72第27卷第2期 赵　刚等:基于跟踪微分器的导引头半捷联稳定系统半实物仿真研究声做了简化和忽略;半实物仿真中平台惯性角度输出信号较数字仿真平滑,原因可能是数字仿真中平台模型不准确,转动惯量较实际平台小造成的.4　结　论将跟踪微分器应用到导引头半捷联稳定系统中,对基于跟踪微分器的导引头半捷联稳定系统进行了数字仿真和半实物仿真.通过仿真与分析,得出以下结论:1)导引头半捷联稳定系统稳定性能与弹体扰动频率有关,扰动频率增大,隔离度增大,稳定性降低.2)典型弹体扰动下数字仿真和半实物仿真结果都表明基于跟踪微分器的导引头半捷联稳定系统的稳定性能满足指标要求,说明半捷联导引头具备工程可行性.3)由单片机搭建的弹载计算机计算能力不足成为跟踪微分器运算精度的瓶颈,以后的试验中可以使用更快速的计算机,稳定系统的稳定性能会有进一步提高.参考文献:[1]　周瑞青,吕善伟,刘新华.捷联式天线平台的角跟踪系统设计[J].系统工程与电子技术,2003,25(10): 1200-1202.[2]　韩京清,王伟.非线性跟踪-微分器[J].系统科学与数学,1994,14(2):177-183.[3]　武利强,林浩,韩京清.跟踪微分器滤波性能研究[J].系统仿真学报,2004,16(4):651-670.[4]　史永丽,侯朝桢.改进的非线性跟踪微分器设计[J].控制与决策,2008,23(6):647-650.[5]　韩京清.自抗扰控制技术[M].北京:国防工业出版社,2008.[6]　赵超.导引头稳定系统隔离度研究[J].电光与控制,2008,15(7):78-82.STU DY OF SEEKER SEMI2STRAPDOWN STAB LE SYSTEM HAR DWARE2IN2THE2LOOP SIMU LATION BASED ONTRACKING DIFFERENTIAT ORZHAO G ang,　GUO Hua,　YAN G Shu2xing(School of A erospace Science and Engi neeri ng,Beiji ng Instit ute of Technology,Beiji ng100081,Chi na)Abstract:Tracking differentiator is applied to seeker semi2strapdown stable system to calculate the platform inertial rate.Principle of TD is introduced,numerical simulation and hardware2in2the2loop simulation are carried out to seeker semi2strapdown stable system based on TD.The simulation results show that the stable performance of seeker semi2strapdown stable system rises with the reducing of missile disturbance frequency and the stable performance satisfies the requirement under classical mis2 sile disturbance.K ey w ords:tracking differentiator;semi2strapdown stabilization;seeker;hardware2in2the2loop simu2 lation(责任编辑:檀彩莲)82北京工商大学学报(自然科学版) 2009年3月。

陀螺稳定跟踪平台的滑模摩擦补偿双环控制研究陈殿生;李鹏;陈彧欣;王田苗【期刊名称】《高技术通讯》【年(卷),期】2011(21)2【摘要】研究了应用于小型地面移动机器人的陀螺稳定跟踪平台的控制原理及控制效果.对陀螺稳定跟踪平台单环控制结构进行了分析,指出平台受到的外来力矩干扰是稳定环在惯性空间受到的载体姿态变化的干扰和电机传动轴受到的轴间摩擦力的干扰.针对这种情况,将滑模控制(SMC)应用于陀螺稳定平台的速度环摩擦补偿控制,结合PID稳定环,构造了PID+SMC双环控制结构,提出了双环稳定控制算法.滑模控制器用于基于Stribeck模型摩擦补偿的速度环控制,作为稳定平台控制的内部环路,形成速度环反馈控制,陀螺角速度反馈形成相对惯性空间的稳定环.仿真分析及实验对比表明,该双环稳定控制方法比单环PID稳定方法的稳定跟踪效果好.%A control principle and a control effect are researched aiming at the applications of gyro stabilized tracking platform (GSP) for miniature ground mobile robot. According to the analysis of single loop control structure for GSP tracking platform, a conclusion that the external moment disturbance equals to the attitude disturbance of the load in the stabilizationloop of the inertial space and the friction disturbance between centers for the motor rotation aix is obtained. To solve this prolem, a double loop stabilization method is proposed, which consists of a sliding model variable structure control (SMC) and a PID stabilization loop, and the SMC is to compensate the friction in velocity loop for GSP. The slidingmodel controller serves the function of velocity control based on the Stribeck model friction compensation, which is the inner loop for the stabilization platform control. The gyro angular velocity feedback serves the function of stabilization loop for the inertial space. Simulations and experiments are made to compare their perfonnances, and it is validated that the double loop control gets the better performance than the single loop PID stabilization method.【总页数】6页(P173-178)【作者】陈殿生;李鹏;陈彧欣;王田苗【作者单位】北京航空航天大学机器人研究所,北京,100191;北京航空航天大学机器人研究所,北京,100191;北京航空航天大学机器人研究所,北京,100191;北京航空航天大学机器人研究所,北京,100191【正文语种】中文【相关文献】1.半捷联导引头稳定平台的双环滑模变结构控制 [J], 刘伟;柯芳;朱斌;樊键2.陀螺稳定平台模糊自调整滑模解耦控制 [J], 杨蒲;李奇3.单轴滚转稳定平台的双环自适应滑模控制 [J], 许叙遥;林辉;王德成4.陀螺稳定平台神经网络滑模变结构控制 [J], 鲁延娟;李明秋5.基于Lyapunov稳定性的爬壁机器人路径跟踪双环滑模控制 [J], 滕昊; 庄园; 邓世建因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。