魏 东，赵智姝，刘 刚

（海军航空兵学院 飞行理论系，辽宁 葫芦岛 125000）

基于TMS240的惯性导航系统ADRC温控系统设计

魏 东，赵智姝，刘 刚

（海军航空兵学院 飞行理论系，辽宁 葫芦岛 125000）

文中针对加速度计和IF漂移和加速度计的零位偏差。而影响这两种惯性元件的主要因素就是受工作温度影响过大，并提出一种实用的ADRC温度控制方法，根据环境温度和被控对象温度，合理选择温度控制点、控制方式和控制算法。研究系统有传统PID、ADRC下对温度对系统综合性能的影响，这项措施，有效地降低了温度对加速度计和IF仪的影响。

ADRC；激光惯性导航；温度控制；PID

人造卫星和航天飞船上都使用了姿态控制系统里面都是通过激光加速度计和IF仪来测量的，而激光加速度计和IF仪受外界环境温度影响较大，加速度计和IF仪是决定惯性系统精度的核心部件,由于其对温度敏感度大,温度漂移成为其主要的误差源之一，温度变化对加速度计和IF精度的影响主要反映在两个方面：一是加速度计和IF器件材料性能本身对温度的敏感性;二是周围温度场对加速度计和IF工作状态的影响。因此当要求工作在高精度场合时,为了提高精度,必须进行必要的温控措施。

自抗扰控制算法（ADRC）。ADRC是中国科学院研究员韩京清，经过多年攻关，自主研发的世界领先控制技术，它具有算法简单、自抗扰控制能力显著、鲁棒性强、系统响应快等特点，可广泛应用于温度、压力、流量、液位等各种控制系统，尤其是在大时滞、环境大干扰、对象特性变化较大的场合更能显示出其优点，是一项完全能够替代PID控制技术的新型控制技术[1-8]。ADRC已获中国和日本的发明专利，并在美国和日本的高科技领域得到实际应用。自抗扰控制仪控制精度高、性能可靠、控制方式多样，具有当代国际同类产品的先进水平。

1 控制方案设计

激光惯性导航系统由激光陀螺、加速度计和电路部分两部分组成，拟定激光陀螺输出采用软件温度补偿的方式，对石英加速度计、I/F转换电路及光路本体进行温控。为避免环境温度对惯性器件的影响，本体采用两级温控方案，一级温控点选取必须要高于+50℃环境温度，但也不能超过+70℃，对元器件的安全造成影响，一级温控点设在+51℃±2℃，为了保证电路的长期稳定性，温控精度小于±2℃。二级温控针对温度敏感部件，其控温点选取必须要高于一级温控点+50℃，加速度计温控点设在58℃±2℃，I/F转换电路温控点设在58℃±2℃，同时，为保证惯性器件精度一致性、长期稳定性，要求加速度计温控精度小于±0.2℃，I/F转换电路的温控精度小于±0.5℃。

温控质量有两种途径可保证：一是隔离外界温度变化的干扰，使激光加速度计和IF仪温度场均匀分布让惯性器件局部温度受外界干扰最小；二是提高加热效率，缩短热不平衡状态的时间和减小温度超调量。为此，设计了分级和分时段的控制方法。

如果仅对加速度计、I/F转换电路进温控设计，外界环境温度在零度以下时，在规定的时间内，加速度计单独进行一级控温无法实现温度恒定。因而采用两级控温的方案，先在光路本体内设计一级控温，其温控点设定比环境温度高，避免环境温度对其影响。再对加速度计设计二级控温，第二级温控是在第一级温控的基础上进行控制，温度梯度小，内部温度场分布均匀，所以二级控温可达到高精度要求。I/F转换电路采样一级温控就能满足要求。通常光路本体的一级控温点为51℃±2℃，与二级控温点保持一定的梯度，控温精度要求小于±2℃。系统分级温控示意图1所示。

图1 统分级温控示意图

为了使系统工作温度能以最快速度达到温控点并稳定下来，系统通电后采用分时段控制方式如图2所示。上电初始为全速加热阶段（0～t1），此时，控制对象上的加热器以全功率工作，温度快速上升。当温度接近各自的设定点时，温控进入第2阶段即脉宽调制阶段（t1～t2），此时，温度传感器的实时温度进入处理器结合控制算法，计算出PWM相应的占空比，调节加热电流，当被控对象的温度升高到设定点时，系统的加热功率与热耗散功率保持动态平衡，当被控对象的温度超过设定点则停止加热，以自然散热迫使其降温。

加温电流的分配要充分考虑各部分的重量、体积大小，还要考虑其中元器件对温度的敏感程度。温控电路最大加温电流应设在一个合理范围，加温电流太小造成加温时间过长，加温电流太大就要求系统提供更多的能量，增加总体的重量与体积，造成不必要的浪费。通常对加温电流在20 A以下惯性导航系统，因光路本体重量大且安装了加速度计和加速度计和IF等惯性器件，它们的升温时间和控温精度将直接影响到惯性导航系统的导航精度，而电予箱中除I/F转换板外，其余部分对环境温度要求不高，故将大部分加温电流分配给光路本体。光路本体加温电流约为12 A，电路部分加温电流为6 A左右。

图2 分时段控制方式

2 温控算法选择

传统PID控制虽然简单实用，但是有很多局限：

1）线性PID控制器的控制律是误差的比例、积分、微分三者的线性组合。但实际情况是，线性组合往往不是最佳选择，容易引起快速性和超调之间的矛盾。

2）理想微分器的物理不可实现性。实际微分器往往用一个惯性超前环节或者是差分器代替，这些环节往往对噪声信号起了很大的放大作用，造成微分信号不能使用。

3）PID控制器的积分作用是为消除系统静差而引入的。但它同时也增加了系统的不稳定性，还可能引起积分饱和现象。

而自抗扰控制有如下诸多优点：

1）利用安排过渡过程解决了快速性与超调之间的矛盾。

2）取消了积分环节也能实现无静差，避免了积分反馈带来的副作用。

3）将时间尺度作为控制对象的唯一标准，打破了线性与非线性的界限。

4）只需考虑静态解耦，无需考虑动态解耦。

5）同PID一样，无需了解被控对象的精确模型。

所以选择ADRC控制算法对温控系统进行设计。

自抗扰控制器[10]综合了经典调节理论与现代控制理论的优点，提出一种“观测+补偿”的方法，可有效处理系统中的非线性与不确定性问题，同时配合非线性的反馈方式，提高控制器的动态性能。

自抗扰控制器ADRC由跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO和非线性反馈控制律NLSEF 3个部分组成，其结构图如图3所示。

图3 自抗扰控制器结构图

由图4可以看出，ADRC是一种基于TD处理参考输入，ESO估计系统状态、模型和外扰，实施NLSEF控制的非线性控制器。V0（t）为系统参考输入，y（t）为系统输出，w（t）为系统扰动。ADRC 不依赖对象的精确模型，用过程误差反馈来消除误差，其核心部分是，系统的模型不确定性和外扰处于同等地位，均可用ESO估计出其实时作用量而给以补偿，从而将有未知外扰作用的非线性、不确定对象化为简单的积分串联型，实现对象的线性化和确定性化。由于ESO的双通道补偿结构，对系统扰动不必采用ADRC原理进行处理，从而无需积分器来消除静差，有利于系统稳定。TD可提供高信噪比的微分信号，同时对参考输入安排过渡过程，结合NLSEF缓解了调节的快速性和超调之间的矛盾，提高控制系统的动态性能。

自抗扰控制器（ADRC）由跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）、非线性控制环节构成，3个部分有机地结合起来控制被控对象[11-13]。TD跟踪输入信号并给出其微分信号，通过TD安排过渡过程，使得被控对象以平滑的方式向目标逼近。ESO以对象的输出 y（t）和输入 u（t）作为其输入，估计出对象的状态变量及对象不确定部分，通过TD、ESO得到的信号做差，以此作为构造控制量的基础，把差值通过一定的转换（线性的或非线性的）得到控制量，最后作用到被控对象上。由于可以估计不确定部分，因此ADRC具有很高的控制效率。

下面以二阶被控对象的控制为例说明这3个部分的功能与计算方法，其功能框架如图4所示。

图4 常规PID控制设计的温控系统原理框图

图5 自抗扰控制器原理框图

ΔR-----测温电桥有铂电阻的一臂的阻值变化；

KB-----测温电桥铂电阻与电桥输出电压之间的转换系数，电路确定以后可以根据电路参数进行计算，为常数；

ΔU-----测温电桥输出电压；

KA-----前置放大环节增益，电路确定后为常数；

U1------放大器输出电压；

Gc（s）----校正环节传递函数；

U2------校正环节输出的PWM控制信号；

Gp（s）----驱动级传递函数；

P-------驱动级输出功率；

G（s）----加速度计和IF内部的传递函数，它表示加速度计和IF内部温度对加热功率之间的放大倍数，即热量与温度之间的转换关系，是加速度计和IF内部组件总热容量的倒数；

D（s）-----系统热扰动，包括元器件的温度漂移、加速度计和IF转子转速变化引起的热扰动和环境温度的变化等等，为便于分析我们将其集中表示为 D（s）。

3 系统硬件设计

系统硬件以TMS320LF2407A DSP控制器为核心组成控制单元，用铂电阻作为测温传感器，分别对3只石英加速度计、I/F转换器及本体共计5路信号进行温度信号采样，经系统控制算法后，调节PWM控制器，光电隔离后，送入功率驱动电路，完成对加热器的加温控制。硬件系统结构图见图6所示。

以其中一路温控电路为例进行说明，温度信号由铂电阻取样，经温度采样电路完成电平转换，送入TMS320LF2407A内的A/D转换单元，转换成数字型温度电压Vc，与控制信号Vr相减，产生误差信号Ek，Ek根据的大小，分时段控制实现相应的控制策略，完成对PWM信号调节，经光电隔离后，送至功率驱动电路，完成对加温器的加热控制，达到实现温度控制功能。

图6 硬件系统结构图

4 仿 真

以前的类似系统多采用常规PID控制，那么采用ADRC控制究竟具有什么优越性呢？下面我们将通过仿真实验对ADRC温控系统和原常规PID温控系统进行比较。

根据实测模型和最终的系统设计，确定ADRC温控系统参数如下：Rth=0.193°C/W、τ0=6 300 s、KT=1.56 Ω/°C、KB=8.66×10-4V/Ω、KA=5 000、α=0.3 S、β=0.5S、RT=18 Ω。

原常规PID温控系统参数都已确定，并且调整达到最优，其中K′A=10000，其他参数与ADRC温控系统对应参数相同。

考虑到温控对象的实际特点，为了更好的反映两者对本系统的控制效果，仿真时在控制对象中都加入一个30 S的纯滞后环节。图8为两种控制系统在正弦扰动下的阶跃响应。

仿真的系统指标初为下面

按系统要求，与温控系统有关的技术指标如下：

1）系统工作环境温度：-40℃～50℃

2）温控温度稳定点：58℃±2℃

3）温控电源：28V±3V温控最大加温电流：≤5 A

4）向加速度计温控系统温控精度要求：±0.2℃；I/F板温控系统温控精度要求：±0.5℃

5）温控温度稳定时间：在环境温度为20±10℃条件下，温控系统从加电起至温度稳定时间不大于40 min。

图7 控制效果和扰动仿真

5 结 论

在激光惯性导航系统中，加速度计和IF的精度对于整个系统的精度起着很重要的作用，而温度又是影响导航精度精度的主要因素之一。因此，如何控制好系统内部的温度，成为了惯性导航系统的关键技术之一。文中正是从工程实际出发，研究和设计了基于ADRC控制的高精度温控系统。

采用ADRC控制方法对温控系统进行了设计，其设计原理简单、跟踪调节性能好、鲁棒性强、参数整定直观明了、能消除不可测干扰的影响，是一种设计和分析预测控制系统的有力工具，仿真和实验表明该算法无论在控制精度和抗干扰性能方面都有很大的提高。。

另外，采用微处理器（TMS320FL2407）作为核心部件，对系统的硬件和软件进行了设计、调试与实验。最后进行了系统实验，实验结果表明控温精度优于±0.05℃，很好地满足了设计指标的要求。

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Design of ADRC temperature control system for inertial navigation system based on TMS240

WEI Dong，ZHAO Zhi-shu，LIU Gang
（Department of Flight Theory，Navy Fly of Academy，Huludao 125000，China）

This paper is based on the zero deviation of the accelerometer and IF drift and accelerometer.And influence factors of the two inertial element is affected by the temperature effect，and put forward a practical temperature of ADRC control method according to the ambient temperature and the temperature of the controlled object，reasonable choice of temperature control points，control method and control algorithm.The research system has the influence of the traditional PID and ADRC on the temperature of the system，which can effectively reduce the influence of the temperature on the accelerometer and IF meter.

ADRC； Laser inertial navigation； temperature control； PID

TN99

：A

：1674－6236（2017）14-0143-05

2016-05-19稿件编号：201605184

魏 东（1977—），男，河北衡水人，硕士，讲师。研究方向：飞行器总体设计。