基于pid控制的高速運動系統(tǒng)的魯棒控制

基于pid控制的高速運動系統(tǒng)的魯棒控制

0系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠車載動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)移植了gps動態(tài)測量的高科技技術(shù)，充分利用了液體傳輸技術(shù)和衛(wèi)星動態(tài)測量技術(shù)，以滿足車輛和其他移動設(shè)備的實時通信要求。該系統(tǒng)采用了gps動態(tài)跟蹤系統(tǒng)和全球gps跟蹤技術(shù)。使用0.6m正反饋拋物面天線，可以自動搜索和跟蹤衛(wèi)星，跟蹤精度，衛(wèi)星可以隨時更換。系統(tǒng)非常穩(wěn)定可靠。要想在移動中與衛(wèi)星通信,必須保證天線方位角和俯仰角與以下理論值相符合,設(shè)所要求對準(zhǔn)衛(wèi)星的星下點經(jīng)度為Φ2,Φ1,θ1為動中通天線所在位置的經(jīng)度和緯度,Φ=Φ2-Φ1為星下點對所在位置的經(jīng)度差。則不難求出此時天線應(yīng)具有的方位角A,仰角E分別為:由于動中通天線是在運動狀態(tài)中工作,天線的方位、仰角又不停變化,因此存在著運動速度及加速度對天線的攏動問題,許多在靜止?fàn)顟B(tài)下能夠正常工作的傳感器在運動狀態(tài)下會產(chǎn)生較大的誤差,伺服系統(tǒng)要求能夠正常工作響應(yīng)以補償運動帶來的影響。本系統(tǒng)在天線的合適位置安置了三路速率陀螺控制俯仰、橫滾和方位。當(dāng)姿態(tài)變化時,陀螺儀直接敏感出俯仰、橫滾和方位相對于慣性空間的變化,將此信號饋入伺服系統(tǒng)使天線朝著相反方向運動可使天線穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)框圖見圖1。為實現(xiàn)方位系統(tǒng)快速、無靜差穩(wěn)定,克服載體可能產(chǎn)生的各種類型擾動,采用了PID控制算法。1方系統(tǒng)的穩(wěn)定策略1.1控制器的設(shè)計PID(比例、積分、微分)控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一。其算法簡單、魯棒性好、可靠性高,此外,PID控制方案并不需要建立精確的受控對象的數(shù)學(xué)模型,這非常適于動中通在車輛高速運轉(zhuǎn)時所經(jīng)受的復(fù)雜情況,所以在此系統(tǒng)中我們選用了PID控制策略,用于方位系統(tǒng)的穩(wěn)定。PID控制原理圖如圖2所示。PID控制器是一種線性控制器,根據(jù)給定值R(t)和實際輸出值C(t)的差進行控制,其控制規(guī)律為:(1)式中,Kp為比例系數(shù);Ti為積分時間常數(shù);Td為微分時間常數(shù)。在本系統(tǒng)中使用的是數(shù)字PID算法,以一系列采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t,以矩形數(shù)值積分代替積分,以一階后向差分近似代替微分,采樣序列kT用k來簡化表示,則將模擬PID離散化為:(2)式中,T為采樣周期;k為采樣信號序列號。對(2)式稍加整理可得如下等價形式:(3)式中,Kp為比例系數(shù);為積分系數(shù);為微分系數(shù);T為采樣周期。PID各參數(shù)的作用所述如下:1)比例系數(shù)Kp與系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差有關(guān),比例系數(shù)加大,將會減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,但Kp太大時系統(tǒng)振蕩次數(shù)增多,系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定;太小的Kp會使系統(tǒng)響應(yīng)過慢,影響調(diào)節(jié)效果。2)積分系數(shù)Ki用以克服余差,提高精度,加強對系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)能力;Ki太小起不到調(diào)節(jié)作用,但如果Ki取值太大則會增加余差,系統(tǒng)動態(tài)性能破壞。3)微分系數(shù)的選擇用于克服慣性滯后,提高抗干擾能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性,若Kd偏大或偏小都會使超調(diào)量變大,調(diào)節(jié)時間較長。1.2基于分段積分的pid算法方位穩(wěn)定即保持天線空間方位指向不變,具體實現(xiàn)步驟可見方位系統(tǒng)的穩(wěn)定控制流程圖(見圖3)在算法中,我們?nèi)≌{(diào)整時間為t,利用陀螺感知出的角速度ηA算出一定時間t內(nèi)的方向角偏差delt=∑(ηA*t),因此控制的目的是實現(xiàn)delt=0。因為當(dāng)積分項的累加數(shù)過大時會使調(diào)節(jié)失靈,或引起大幅振蕩,為此采用了分段積分的PID算法控制策略,即為不同的輸入偏差段選擇不同的積分系數(shù),并且還設(shè)定了控制域,該域的兩端分別為:Emax和Emin,在偏差大于Emax時采用快速比例控制方法使偏差迅速減小,直至系統(tǒng)允許的偏差Emin。根據(jù)計算出的控制量的大小,再結(jié)合方位電機每次調(diào)整所要走的度數(shù),可以確定出調(diào)整時間t的大小。試驗表明,該算法在改善控制量的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和超調(diào)量等動態(tài)靜態(tài)性能方面均優(yōu)于常規(guī)PID控制。結(jié)合俯仰、橫滾穩(wěn)定控制策略進行調(diào)試,調(diào)試中讓系統(tǒng)在位置階躍擾動、恒速擾動、加速度鋸齒波擾動和正弦擾動下工作,測試系統(tǒng)抑止位置、速度、加速度擾動的能力,驗證PID算法的有效性。1.3比例系數(shù)不適宜遇到的問題主要是控制參數(shù)的確定,好的控制參數(shù)可以使系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài),如果控制參數(shù)選擇不好則有可能使整個通信系統(tǒng)癱瘓。1)角度調(diào)整很快就可達到目標(biāo)值,但角度過沖很大:①一種原因是比例系數(shù)太大,致使未到設(shè)定角度前調(diào)整比例過高;②另一種原因是微分系數(shù)太小,致使受控系統(tǒng)反應(yīng)不敏感。2)基本能控制在目標(biāo)上,但左右偏差偏大,經(jīng)常擺動:①微分系數(shù)過小,對即時角度變化反應(yīng)不夠快;②積分系數(shù)過大,使微分反應(yīng)的預(yù)測性反應(yīng)不靈敏。3)角度調(diào)整經(jīng)常達不到目標(biāo)值,小于目標(biāo)值的時間較多:①比例系數(shù)過小,調(diào)整比例不夠;②積分系數(shù)過小,對恒偏差補償不足。在實際的動中通調(diào)試中,要反復(fù)對參數(shù)進行修正,驗證,務(wù)求找到一套適合本通信系統(tǒng)的參數(shù)。2追蹤衛(wèi)星并啟動試驗表明,系統(tǒng)完全可達到各項指標(biāo)要求,見表1。車輛進入信號中斷地帶后,伺服系統(tǒng)無信號跟蹤衛(wèi)星,且通信中斷,車輛駛出中斷區(qū)信號恢復(fù)后,伺