2024年6月12日发(作者：)

第３３卷第１期　

国防科技大学学报　

Ｖ０１．３３　Ｎｏ．１　

２０１１年２月　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　Ｎ衄ＯＮＡＩ．ＩＩＮＩⅥ强Ｓ玎Ｙ　ＯＦ　Ｄ】　圈　Ｅ　ｒＩ１　｝Ⅱ　）ＧＹ　

Ｆｅｂ．２０１１　

文章编号：１００１—２４８６（２０１１）Ｏ１—００４４—０３　

遥控武器站的自抗扰控制　

张伟，陈宇中，胡永明　

（国防科技大学光电科学与工程学院，湖南长沙４１｛ＸＩ＇／３）　

摘要：遥控武器站系统是一个具有强后坐力、变摩擦力和变转动惯量的非线性系统，采用自抗扰控制技　

术对该系统进行稳定控制。系统利用自抗扰控制器的扩张状态观测器，对系统未建模特性和不确定性外扰进　

行动态估计和反馈补偿，提高了系统的抗干扰能力。实物系统稳定控制实验结果表明，所设计的自抗扰控制　

器具有良好的动态品质和较强的抗干扰性能，系统实现１８０￣回转仅需２．６２ｓ，且转动过程中无振荡和无超调。　

关键词：遥控武器站；自抗扰控制；扩张状态观测器；光纤陀螺　

中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　

Ａｃｔｉｖｅ　Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｒｅｍｏｔｅｌｙ　Ｏｐｅｒａｔｅｄ　

Ｗｅａｐｏｎ　Ｓｔａｔｉｏｎ　

ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｉ，ＣＨＥＮ　Ｙｕ－ｚｈｏｎｇ，ＨＵ　Ｙｏｎｇ－ｍｉｎｇ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｏｐｔｏ－ｅｌｅｃｔｍｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ｄｅｆｅｎｓｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００７３，Ｃ｝Ｉｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｒｅｍｏｔｅｌｙ－ｏｐｅｒａｔｅｄ　ｗｅａｐｏｎ　ｓｔａｔｉｏｎ（ＲＯＷＳ）ｉｓ　ａ　ｎｏｎ－ｈｎｅａｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｓｔｒｏｎｇ　ｂａｃｋｌａｓｈ，ｔｉｍｅ－ｖａｒｙｉｎｇ　ｆｉｒｃｉｔｏｎ　ａｎｄ　

ｔｉｍｅ－ｖａｒｙｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔ　ｏｆｉｎｅｒｔｉａ．Ｔｈｅ　ａｃｉｔｖｅ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＡＤＲＣ）ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ　ｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅ．　

Ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　ＡＤＲＣ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｓｔａｔｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ　ｔｏ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ　ａｎｄ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏ　

ｉｄｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｒｅｊｅｃｉｔｏｎ　Ｗａｓ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｅｄ　ＡＤＲＣ　ｔｃｅｈｎｉｑｕｅ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｔ　ｔａｋｅｓ　ｏｎｌｙ　２．６２ｓ　ｆｏｒ　ａ　１８０￣ｍａｎｅｕｖｅｒ　ｗｉｔｈ　ｎＯ　ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ　ａｎｄ　ｎＯ　ｃｈａｔｔｅｒｉｇｎ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｍｏｔｅｌｙ—ｏｐｅｒａｔｅｄ　ｗｅａｐｏｎ　ｓｔａｆｆｏｎ；ａｃｔｉｖｅ　ｉｄｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｓｔａｔｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ；ｆｉｂｅｒ　ｏｐｔｉｃ　ｇｙｍ　

随着对城市巷战模式的关注和不断增长的减　

少人员伤亡的需求，世界各国都大力发展自己的　

１遥控武器站稳定控制系统工作原理　

遥控武器站。遥控武器站是一种可以安装在多种　

为适应装甲车辆中普遍采用的车载２６Ｖ直　

运载工具上的相对独立的模块化、通用化武器系　流电源，本遥控武器站平台采用Ｈ桥式电路驱动　

统，操作者在安全区域内通过视频图像和电驱动　

永磁直流力矩电机的直接驱动方式Ｌ２Ｊ，通过控制　

控制实现对武器系统的遥控操作，从而大大提高　桥式电路输入端ＰＷＭ信号的占空比来调节力矩　

射手的战场生存能力。另外，由于遥控武器站配　

电机的转速与转向。稳定控制系统的原理框图如　

备的高精度昼夜观瞄器材和双向稳定控制系统，　图１所示，系统采用全数字开环光纤陀螺作为角　

这不仅使其具有夜间和恶劣气象条件下作战的能　

速率传感器，用以实时检测平台的转动速率，通过　

力，还能提高传统武器系统的作战距离和射击精　积分和滤波后，可消除陀螺的零位漂移并获得回　

度。　

路的反馈量即平台的实际转动角度位置，目标角　

遥控武器站在武器系统发射时会受到很强的　

度位置与实际角度位置经过自抗扰控制算法后形　

后座力冲击，另外，当武器处于不同射角时，平台　成控制量输出，控制量调节ＰＷＭ信号的占空比　

转动机构的转动惯量也各不相同，这是一个很典　大小，从而改变控制电机两端的电压以调节电机　

型的非线性时变系统，应用传统的线性ＰＩＤ控制　

的转速和转向，ＰＷＭ输出经过功率放大后加载至　

算法对其进行稳定控制很难满足系统的要求　Ｊ。　力矩电机，力矩电机驱动武器系统转向目标角度　

本文采用自抗扰非线性控制技术对其进行稳定控　位置。图中虚线框图部分所包含的自抗扰控制算　

制。　

法（ＡＤＲＣ）实现、ＰＷＭ波形产生以及陀螺位置信　

号处理都由ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片完成。　

・收稿日期：２ｏｌＯ一∞一３ｏ　

作者简介：张伟（１９８３一），男，博士生。　

第１期　张伟，等：遥控武器站的自抗扰控制　

ｄ：ｒｈ０；ｄｏ：ｄ　０　

・４５・　

ｙ＝　＋＾。　２；口。＝（　ｚ＋８，．Ｊ），Ｊ）｛　

『　２＋（。ｏ—ｄ）／２，ｌ　Ｙ　ｌ＞ｄｏ　

Ｌ．…．……．一一　

ｌ　２＋　／ｈ。，ｌ，，Ｊ≤ｄｏ　

图１系统原理框图　

Ｆｉｇ．１　Ｓｙｓｔｅｍ　ｓｃｈｅｍｅ　

ｃｘ１，ｘ２，ｒ，ｈｏ　｛　

（２）　

２遥控武器站自抗扰控制方案　

自抗扰控制器（ＡＤＲＣ）是中科院系统科学研　

ｒ　Ｉ（ｋ＋１）＝　Ｉ（七）＋砌２（后）　

究所韩京清研究员发明的一种不依赖于系统模型　

的新型非线性控制器，具有超调小，收敛速度快，　

精度高，抗干扰能力强等特点，已经在炉温控制、　

异步电机调速系统控制、高速车床等不同对象的　

实际控制系统中得到应用　。　

常用的二阶自抗扰控制器的结构如图２所　

示，主要包括跟踪微分器（，ＩＤ）、扩张状态观测器　

（ＥＳｏ）和非线性组合反馈（ＮＳＥＦ）等功能模块。　

图２二阶自抗扰控制器结构框图　

Ｆｉｇ．２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ　ｏｒｄｅｒ　ＡＤＲＣ　

２．１控制对象　

系统采用力矩电机直接驱动负载的控制方　

式，在机械设计时保证了系统的谐振频率足够高，　

电机与负载之间可近似为纯刚性连接，因此，电机　

电枢控制电压　与负载平台转速　之间的传递　

函数可简化为：　

Ｐ（ｓ）　瓦　葛　（　）　

该电机与负载模型是一个典型的二阶系统，　

其中，　为系统总的转动惯量，厶为电机电枢回　

路电感，　为电机电枢回路电阻，　为电机力矩　

系统，Ｃ　为电机反电动势比例系数。　

２．２跟踪微分器（ＴＤ）　

跟踪微分器用以对不光滑的输入信号　进　

行预处理，通过“安排”过渡过程　，能快速无超　

调地跟踪输入信号　并能很好地给出其微分信　

号　，本系统中　即为目标角度位置。二阶跟　

踪微分器的结构形式为：　

｛　２（ｋ＋１）＝ｔ７２（ｋ）＋ｈｔＴ￣ｎ（　（ｋ）　（３）　

ｌ　—Ｖ０（后），Ｖ２（　），ｒ，＾ｏ）　

其中ｔｈａｎ（・）为系统的最速控制综合函数，ｈ为自　

抗扰控制器积分步长，‰为跟踪微分器虑波因　

子，ｒ为跟踪微分器快慢因子。　

２．３扩张状态观测器（ＥＳＯ）　

扩张状态观测器的作用是利用尽可能少的信　

息，估计出受系统未建模特性以及未知外扰作用　

的非线性不确定对象的扩张状态，以实现反馈控　

制及扰动补偿。二阶扩张观测器的结构形式为：　

ｆｅ（　）＝＝。（　）一Ｙ（．ｉ｝）　

Ｉ　（ｋ＋１）＝　（ｋ）＋ｈ・（　：（ｋ）一　・ｅ（ｋ））　

｛ｚ２（ｋ＋１）＝ｚ　（ｋ）＋ｈ‘（　３（ｋ）一　吆・　ｚ（ｅ（ｋ），　

１　０．５，　＋ｂ０“）　

【：，（ｋ＋１）＝ｚ３（ｋ）一ｈ・届０３・－，　（ｅ（ｋ），Ｏ．２５，　）　

（４）　

式中Ｙ为被控对象的输出，即转台实际角度位　

置，它是通过对光纤陀螺的角速度进行积分而得　

到的。扩张状态观测器中的ｚ　、　能有效跟踪所　

观测的状态变量Ｙ及其微分信号Ｙ　，同时将系统　

建模、未建模部分及各种扰动作用扩张成新的状　

态变量ｚ，，然后对其进行前馈补偿，以消除其对　

系统的影响。　、　、　为扩张状态观测器的三　

个可调参数，其取值大小由系统所用的采样步长　

决定。函数　２（ｅ，ｏ，　具有如下结构形式：　

眺　）＝　（５）　

２．４非线性误差反馈控制律（ＮＳＥＦ）　

非线性误差反馈控制律是为了改进线性ＰＩＤ　

的控制品质，通过由非线性跟踪微分器和扩张状　

态观测器获得所需的误差及其变化信息后，采用　

非线性组合实现反馈控制功能。二阶非线性误差　

反馈控制律的结构形式为：