电动三轴稳定跟踪平台控制策略研究

发布时间：2017-08-07 11:12

  本文关键词：电动三轴稳定跟踪平台控制策略研究

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【摘要】：本课题主要来源于海军某部队的舰载末制导跟踪实验项目,舰艇上的末制导跟踪设备是影响军舰战斗力的一个重要因素,末制导跟踪设备要完成对目标的稳定跟踪,需要隔离舰艇的晃动,保证制导设备的地理水平稳定。本课题主要是分析舰艇稳定跟踪平台的工作模式,研究其工作原理,基于稳定跟踪系统稳定性、快速性以及精准性的要求,研究提高系统自稳以及跟踪性能的控制策略。根据课题提供的要求,分析稳定跟踪平台的工作模式,研究稳定跟踪平台的工作原理,同时确定系统的驱动方案,确定系统的关键参数。按照控制理论建立单通道电机伺服位置控制系统的数学模型,得到以电机的电枢电压输入,电机角位移为输出的传递函数模型。为提高系统性能要求,按照工程设计方法,设计从内到外为电流环、转速环、位置环的三闭环位置控制系统,并按典型Ⅰ型系统要求配置电流调节器(ACR),转速调节器(ASR)以及位置调节器(APR)的参数,在这基础上分析系统在无外界干扰情况下的稳定性、准确性、快速性。根据稳定跟踪平台的实际工作情况,引入位置控制系统的主要干扰,一方面,平台姿态的改变导致控制对象的转动惯量改变,从而使得传递函数结构改变;另一方面稳定跟踪平台工作时存在摩擦力矩干扰,由于平台的低速性,引入Stribeck摩擦模型,使得原来的线性系统变成非线性系统。建立Simulink仿真模型,在经典PID控制下,完成系统的单位阶跃响应以及正弦跟踪仿真,仿真结果表明经典PID在非线性系统控制中,没有使得系统稳态和动态性能达到一个良好的结果。针对采用经典PID控制,非线性系统的响应输出准确性以及快速性没有达到要求这一问题,引入滑模变结构控制,消除系统由于控制系统结构改变、不连续等带来的影响。本课题采用基于指数趋近律的方法设计滑模控制器,得到以角位移误差、角速度、加速度、输入信号一阶以及二阶微分为输入的控制器,并搭建Simulink模型,进行系统单位阶跃响应以及正弦跟踪仿真,将仿真结果与采用经典PID控制的对比表明:滑模变结构控制器具有更好的快速性,满足系统动态要求,降低稳定误差,且能更好地抵抗外界干扰,抑制系统结构参数变化等对系统带来的影响,达到良好地控制效果。最后通过稳定跟踪平台在舰艇上的阶跃跟踪、系统自稳、方位跟踪实验,验证位置控制系统数学模型建立的合理性,比较经典PID控制与滑模变结构控制的性能,实验表明滑模变结构控制在稳定跟踪平台的阶跃响应、自稳以及方位跟踪的控制中,系统各项指标均满足要求,其控制性能较PID控制优越。
【关键词】：稳定跟踪平台 电机伺服控制 惯量耦合 Stribeck摩擦模型 滑模控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.703.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题研究的背景及意义10-11
• 1.2 国内外稳定跟踪平台发展概况11-13
• 1.2.1 国外研究与发展概况简介11-12
• 1.2.2 国内研究与发展概况简介12-13
• 1.3 交流电机伺服系统常用的控制策略13-15
• 1.3.1 常用的线性控制策略13-14
• 1.3.2 常用的非线性控制策略14-15
• 1.4 论文主要研究内容15-17
• 第2章 稳定跟踪平台工作分析17-22
• 2.1 引言17
• 2.2 系统参数设计17-19
• 2.2.1 稳定跟踪系统技术指标17
• 2.2.2 稳定跟踪平台元器件的选择参数17-19
• 2.3 稳定跟踪平台工作模式研究19-21
• 2.3.1 自稳工作模式19-20
• 2.3.2 陆基跟踪工作模式20-21
• 2.3.3 稳定跟踪工作模式21
• 2.4 本章小结21-22
• 第3章 电机伺服系统数学模型搭建及分析22-42
• 3.1 引言22
• 3.2 单通道电机位置系统数学模型的建立22-32
• 3.2.1 电机的数学模型23-26
• 3.2.2 电机三闭环伺服系统设计26-28
• 3.2.3 设计三闭环调节器参数28-32
• 3.3 方位跟踪数学模型32-34
• 3.4 控制系统外干扰数学模型34-40
• 3.4.1 轴系机械惯量耦合34-38
• 3.4.2 摩擦力矩干扰38-40
• 3.5 本章小结40-42
• 第4章 稳定跟踪平台控制器设计42-60
• 4.1 引言42
• 4.2 稳定跟踪平台机械模态分析42-44
• 4.2.1 模态分析意义42
• 4.2.2 模态分析方法42-44
• 4.3 单通道经典PID控制44-49
• 4.3.1 PID控制原理44-45
• 4.3.2 惯量变化的PID控制Simulink仿真45-46
• 4.3.3 系统带摩擦干扰的PID控制Simulink仿真46-49
• 4.4 滑模变结构控制49-53
• 4.4.1 滑模变结构控制基础49
• 4.4.2 滑模变结构控制的不变性49-51
• 4.4.3 滑模变结构控制设计51-53
• 4.5 滑模变结构控制Simulink系统仿真53-58
• 4.6 SimMechancis物理模型仿真58-59
• 4.7 本章小结59-60
• 第5章 稳定跟踪平台的实验验证与研究60-69
• 5.1 引言60
• 5.2 实验台组成60-62
• 5.2.1 实验台硬件组成60
• 5.2.2 实验台主要电气连接图60-61
• 5.2.3 控制软件设计61-62
• 5.3 稳定跟踪平台实验62-69
• 5.3.1 单位阶跃响应实验63-64
• 5.3.2 纵摇横摇自稳实验64-68
• 5.3.3 方位跟踪实验68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-75
• 致谢75

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本文编号：634353