引用本文:
周浩,郧建平,祁昶. 基于扩张状态观测器的滑模控制算法研究[J]. 光通信技术,2021,45(5):21-25.
周 浩,郧建平,祁 昶*
(武汉大学 电子信息学院,武汉 430072)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:针对船载空间光通信外部环境和转台内部非线性不确定性的影响导致跟踪精度下降的问题,提出了基于扩张状态观测器的滑模控制(SMC-ESO)算法。该算法使用扩张状态观测器对非线性干扰力矩造成的转台内部扰动和船体摆动造成的转台外部扰动进行观测和估计,并将扰动估计值作为滑模控制器的补偿量,进而消除扰动对控制器的影响,提高滑模控制器的控制性能。仿真结果表明:提出的SMC-ESO算法比比例积分微分(PID)算法在抗扰性能上提高了44.22%,能够满足粗跟踪应用控制需求。
关键词:空间光通信;扩张状态观测器;滑模控制;粗跟踪;船载
中图分类号:TN929.12 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2021)05-0021-05
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.05.005
0 引言
在空间光通信中,定位、捕获和跟踪(PAT)技术既是核心和关键技术,也是难点技术[1]。几乎所有的PAT系统都是由粗跟踪系统和精跟踪系统复合构成,粗跟踪负责捕获激光束,精跟踪负责跟踪和瞄准。近年来,空间光通信在船舶通信中应用越来越广泛。由于船舶在行驶中会受到海浪的影响做不规则的运动[2],这会导致PAT系统跟踪精度下降,因此提高PAT系统的抗干扰能力是提升其跟踪精度、保证光通信质量的关键技术。目前,在PAT系统中应用最广泛的控制算法是比例-积分-微分(PID)算法,该算法具有结构简单、稳定性好和可靠性高等优点,适用于参数变化不大的系统。由于PAT系统是一种非线性系统,其内部参数易受到环境的影响而产生变化,并且外部环境的复杂多变会对PAT系统造成不确定的因素,因此PID算法应用于PAT系统具有一定的局限性。针对PAT系统的特点和存在的问题,郑纳川等人[3]将神经网络运用到PAT系统中,实验结果表明这对低频小幅度的正旋扰动有不错的抑制效果,但是其控制算法本质还是PID算法;顾健等人[4]将扰动观测器运用到精跟踪系统中,仿真结果表明基于扰动观测器的控制算法有更好的扰动隔离度,但是未进行实验验证,只停留在理论阶段;崔宁等人[5]将模糊自抗扰运用到空间光通信精跟踪系统,与PID算法相比,实验结果表明模糊自抗扰误差减小了50%左右,但是其结构比较复杂,实现比较困难。近年来,由于滑模变结构控制具有较强的鲁棒性、对模型要求不高等优点,引起越来越多研究人员的关注[6-8]。
本文将滑模控制应用到粗跟踪控制中,在此基础上,用扩张状态观测器(ESO)[9-10]实时观测系统的总扰动,并将观测到的总扰动补偿到滑模控制器中,降低系统的抖动。
4 结束语
本文提出了SMC-ESO算法,将ESO观测到的总扰动补偿到滑模控制器中,进行了不同幅度、不同频率下的扰动仿真和室内模拟实验。仿真实验结果表明:在由于海浪起伏给转台引入的低频、小幅度扰动情况下,对比PID控制算法,本文提出的SMC-ESO算法具有更好的扰动抑制能力和动态响应性能。