为了提高车载光电稳定平台的抗干扰特性, 在传统PID算法的基础上, 应用自抗扰控制(ADRC)的核心部分扩张状态观测器(ESO)来实现对扰动的估计和补偿。通过仿真和试验验证ESO对阶跃干扰和正弦干扰抑制效果, 表明PID+ESO算法对扰动的补偿效果相对于PID算法提高了40%。该方法简单、有效, 易于实现, 具有较强的工程应用价值。

针对非线性动态系统的扩张状态观测器(ESO)参数整定问题, 建立了基于BP神经网络的参数整定模型。采用在线梯度下降法进行网络训练以保证对动态系统的学习能力,并引入了IDBD算法,利用输入数据的信息和学习过程中的经验实现学习速率的自适应调整, 以改进在线梯度下降法的适应性。数字仿真表明, 该参数整定模型较传统的参数整定模型具有动态性能好、精度高等优点, 能够提高非线性系统扩张状态观测器参数的动态整定精度, 进而在一定程度上改善自抗扰控制器的系统控制性能。

为提升光电稳定平台的快速响应和扰动抑制能力, 设计了基于平台模型的线性自抗扰控制器。通过系统辨识的方法, 获取光电稳定平台的近似模型,然后将获取的模型信息加入到扩张状态观测器设计中, 进行线性自抗扰控制器的设计, 并与未采用模型信息的线性自抗扰控制器进行仿真对比。仿真结果表明: 基于平台模型信息设计的线性自抗扰控制器可有效提高光电稳定平台的响应速度和扰动抑制能力。

自抗扰控制器对于抑制不确定的扰动有良好的效果, 但其控制器参数较多且整定困难。为了实现自适应的线性自抗扰控制器, 对线性自抗扰控制器的参数整定策略展开了研究。首先, 设计了基于观测误差的线性扩张观测器参数自适应整定算法。接着, 设计了自抗扰控制器线性反馈环节的参数的自适应整定算法。最后, 利用李雅普诺夫方法, 证明上述自适应整定算法得到的参数可以保证扩张状态观测器的观测误差和被控系统最终输出误差都收敛至零。实验结果表明: 精密气浮运动平台低速工况下, 自适应线性自抗扰控制器的参数在0.8 s内即可迅速完成整定计算; 线性扩张观测器观测误差绝对值小于2 nm; 被控精密气浮运动平台的速度波动不大于5%。自适应线性自抗扰控制器实现了控制器参数在线整定, 控制器的性能表现满足要求。

为了满足2 m望远镜系统中消旋K镜伺服系统的速度控制性能, 提出一种基于控制律参数自适应的自抗扰控制新方法。首先, 基于速度回路被控对象, 设计了二阶线性扩张状态观测器, 以实现对扰动的实时观测; 然后, 为了提高速度环动态和稳态性能, 采用回归分析方法, 设计了控制律参数基于输入速度变化而自适应调整的比例控制器; 最后, 搭建了消旋K镜伺服控制实验系统, 在速度阶跃信号激励下开展实验研究。结果显示: 与传统PI和自抗扰控制器相比, 系统以0.001 (°)/s速度运行时, 稳定时间从7.3 s、3.2 s减少至0.9 s; 以10 (°)/s速度运行时, 系统超调量从8%、62%降低至无超调; 在中低频段的扰动抑制能力最大提高了23 dB, 性能得到了提高, 可满足K镜伺服系统高精度的速度控制性能要求。

针对传统自抗扰控制器的扰动补偿效果随着扰动频率增加迅速下降的问题，提出了一种基于改进的线性扩张状态观测器的自抗扰控制方法。该方法首先对粗跟踪进行系统分析、简化及辨识；然后对线性扩张状态观测器的观测原理进行详细推导与论证，从理论上指出其不足，提出了一种改进的线性扩张状态观测器；最后将改进的算法与PID调节器相结合，实现了粗跟踪的自抗扰控制。实验结果表明：针对幅度在1°、频率在0.5~2.5 Hz间的外部位置扰动，传统的自抗扰控制器随着扰动频率的增加，扰动隔离度下降非常明显，2 Hz时的提升程度仅为0.5 Hz处的9.5%；而采用改进的算法使扰动隔离度至少提高了4.146 dB，且随着扰动频率的增加，扰动隔离度的提升非常稳定，2.5 Hz时的提升程度与0.5 Hz处几乎一致；此外，该方法有较好的鲁棒性，允许被控对象在20%的范围内变化。理论分析、仿真分析、物理实验均证明该方法的有效性，对类似的光电跟踪系统有一定的参考价值。

高性能的速度闭环控制是精密伺服控制系统的关键。针对速度换向时存在较大的换向误差的问题, 提出了将自抗扰控制器用于精密伺服系统速度闭环的控制中。自抗扰控制器能对系统所受到的内扰和外扰进行实时估计, 且不依赖于对象模型。本文基于控制对象的频域特性, 设计了线性自抗扰控制器, 找到了对象参数 b与谐振频率的关系, 并给出了其他参数的整定方法, 为实验中参数调试提供了依据。最后, 在带宽相同的情况下, 将设计好的自抗扰控制器和常规的 PI控制器分别用于速度闭环, 进行了对比实验。结果表明在输入信号为 0.5°和 1.0°时, 自抗扰控制器均能明显减小换向误差, 提高系统跟踪精度。

介绍了一种应用于高精度跟瞄系统的自抗扰控制器。通过与常规PID比较,对该控制器进行了功能分析,并结合实际系统,分析出其在控制上的优越性;分别采用PID控制器和自抗扰控制器对高精度跟瞄系统的速度环进行了设计。在Matlab仿真和实验验证中得到了一致的结果:自抗扰控制器能改善伺服系统的速度响应特性,可以实现阶跃响应快速无超调。在突发扰动条件下,自抗扰控制器的跟踪精度稳定性和鲁棒性均优于常规PID控制器。

提出一种基于电流环的自抗扰控制新方法以进一步提高航空光电稳定平台的抗干扰能力。首先，利用电流环将硬件电路中复杂的电机模型简化为一阶模型，从而减小了由于参数过大噪声对扰动观测值的影响；然后，采用带宽单参数化的设计方法为简化后的一阶系统设计了扩张状态观测器及带扰动补偿的控制规律；最后，在飞行模拟转台中测试了自抗扰控制器对2.5 Hz以内任意频率扰动的抑制能力，并与目前航空光电稳定平台中常用的平方滞后超前校正方法进行了对比。实验结果表明：与传统的平方滞后超前控制器相比，采用自抗扰控制器后系统的扰动隔离度至少提高了6.56 dB；而且随着扰动频率大于0.5 Hz，自抗扰控制器的扰动抑制能力更为明显，扰动隔离度最多可提高12.03 dB。同时，自抗扰控制器具有很强的鲁棒性，允许被控对象参数在15%的范围内任意变化，可满足高精度航空光电稳定平台的性能要求，对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价值。