基于KF和FOPID的稳定平台控制算法研究

发布时间：2020-03-26 01:02

【摘要】：光电稳定平台是光电侦察系统的核心组成部分,主要任务是敏感并抑制载体姿态变化、气流冲击、电机振动以及自身摩擦力矩和传感器噪声等扰动影响,保证平台视轴稳定指向。除机械结构对视轴稳定的影响,稳定平台的控制策略也是提高系统稳定精度的关键。实际应用中的光电稳定平台控制方式多数采用整数阶PID(Integer Order Proportional Integral Derivative,IOPID)控制技术,无法满足更高要求的控制性能。分数阶PI~λD~μ(Fractional Order Proportional Integral Derivative,FOPID)控制器因其多了λ和μ两个可调参数,系统控制过程更柔性、对参数摄动不敏感,比IOPID控制器具有更好的控制效果和鲁棒性。本文将分数阶控制策略应用于光电稳定平台,提高了平台的增益鲁棒性,实现平台的高精度控制,主要完成了以下研究内容:1)以MD-GD101I型两轴两框架光电稳定平台为研究对象,在实验测得数据基础上采用系统辨识法建立平台俯仰轴速度环的数学模型,并对辨识结果的有效性进行了检验。2)在建立光电稳定平台数学模型基础上,针对速度环分别设计IOPID控制算法和FOPID控制算法。利用基于向量的增益鲁棒性PID参数整定法完成IOPID参数整定,采用传统的幅值裕度和相位裕度法完成FOPID参数整定。仿真结果表明,系统采用FOPID控制算法比IOPID控制算法具有更小的超调量、调节时间、稳态误差和更强的增益鲁棒性。3)为了提高系统的噪声抑制能力,研究基于卡尔曼滤波(Kalman Filter,KF)算法的分数阶控制器设计。对速度和位置双闭环系统分别设计基于KF的IOPID控制算法和基于KF的FOPID控制算法。仿真结果表明,单纯的IOPID和FOPID控制算法无法有效抑制随机扰动,基于KF的IOPID控制算法和基于KF的FOPID控制算法具有更好的控制效果和抑制扰动能力。
【图文】：

稳定平台,稳定精度,平台结构,应用领域

第1章绪论1.1 课题研究背景及意义光电稳定平台是集光、机、电为一体的复杂设备[1]，通常是利用陀螺仪反馈作用对载体运动的干扰进行不断调整，保持平台台体稳定，主要安装在无人机、舰船、侦察车、地基等载体中。由于载体的多样化，其广泛应用于军事中无人侦察、目标跟踪、精确打击；警用中险情勘测、公安消防、追击逃犯以及民用中航空摄影、高压线路检测维护等领域。图 1 为稳定平台在各领域中的应用，左图为国产翼龙武装无人机挂载光电稳定平台，并装载激光测距、小型空地打击武器和电子对抗等设备，用于军事监控、侦察、对地攻击、治安维稳、边防巡逻和边界反恐等任务。右图为某小型无人机载光电稳定平台用于民用领域中高压输电线路巡查任务。随着稳定平台应用范围越来越广泛，对其控制精度的要求也越来越高，其稳定精度的好坏直接影响任务完成的质量。

捕食者,美国,光电稳定,视轴稳定

美国是最早在光电稳定平台技术研究领域作出突出贡献的国家，20 世纪 40 年代末，美国就研究在坦克上使用光电稳定平台作为火炮稳定器，其作用是抑制坦克车体在行进过程中产生的振动对射击的影响，此后，在侦察车、舰船、无人机、地基、导弹等载体中开始广泛地使用光电稳定平台。美国、英国、法国、意大利、以色列等国家在光电稳定平台研制中处于国际领先地位，如美国空军研制的“捕食者”系列军用无人机，其挂载的高精度光电稳定平台是美军一种重要的远程中高度监视侦察系统（如图 1.2所示），方位角转动范围 n× 360°，俯仰角转动范围 120 ° 90°，角速度最高达到90 ° / s，视轴稳定精度约为 2μrad；法国 1994 年研制的“唯吉-105”型光电火控红外系统，方位角工作范围 n× 360°，俯仰角工作范围 25° 65°，视轴稳定精度约为 0.1mrad；英国研制的 FIN1155 型光电稳定平台，其视轴稳定精度为 0.1mrad；以色列研制的 ESP600C型光电稳定侦查平台，采用两轴三框架稳定结构形式，俯仰角工作范围为 110° 10°，方位角满足 n× 360°工作范围，视轴稳定精度为 15μrad。南非在光电稳定平台技术研究上也很突出，如其研究的 GoShawk 型稳定平台，方位角工作范围 n× 360°，俯仰角工作范围 15 ° 120°，视轴稳定精度为 30urad。这些国家对稳定平台技术的研究，代表了国际先进水平。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP273;TN29

【参考文献】