惯性稳定平台的建模分析与高精度控制

发布时间：2018-05-16 03:36

本文选题：惯性稳定平台 + 建模分析　；参考：《中国科学技术大学》2016年博士论文

【摘要】：惯性稳定平台(Inertially Stabilized Platform, ISP)又称作陀螺稳定平台(Gyroscope Stabilized Platform, GSP),是飞行器、舰船和车辆等进行惯性导航、制导和测量的核心设备。它能够有效隔离载体扰动并保持平台稳定,使搭载的光学仪器的视轴(Line Of Sight, LOS)保持相对惯性空间的指向,或根据指令对目标物体进行瞄准和跟踪。作为现代军用战机中的关键设备,高精度、超远距离目标识别及实时成像的稳定平台的研制,已成为世界各国军备竞赛的一个关键突破点。在硬件设施已定的情况下,如何从控制策略上提升稳定平台对机体扰动的隔离性能,从而进一步提高稳定精度,是本课题研究的切入点。在惯性稳定平台的伺服系统中,以陀螺仪为核心装置的速度稳定环是整个平台实现隔离机体扰动的关键部分。工程应用中,由于设计成熟和实用性强,速度稳定环中的控制器通常采用PID、超前滞后等线性控制器。这类控制器虽然有不错的精度,却很难进一步地提升性能。究其原因主要有两点：(1)稳定平台通常工作在低频低速环境下,线性控制器对非线性摩擦力的抑制有限,使摩擦力成为控制误差中的主导因素；(2)传统控制器在设计时通常依赖被控对象在频域中辨识得到的线性模型,没有考虑未建模部分和系统参数变化造成的影响。基于以上两点原因,以原有控制系统为基础,采取适当的控制策略克服稳定平台的主要误差,进一步提升速度稳定环的隔离度性能,是本课题的研究内容。本课题是中国科学技术大学与中国科学院长春光学精密机械与物理研究所超精密控制与系统联合实验室的合作项目(NO.KD1012210167)。研究对象是具有微弧度量级的军用两轴四框架机载惯性稳定平台。研究目的是提升稳定平台中速度稳定环的隔离度性能,以此为中心进行建模分析和控制器设计等相关研究工作。本论文的主要研究内容包括以下几点：(1)建立稳定平台中速度稳定环的高精度模型,为后面控制策略的设计奠定基础。首先通过平台中直流力矩电机的动力学方程,建立速度稳定环的机理线性模型,并利用电流环的特性进行简化。通过实际实验数据进行线性模型辨识,观察平台在低频低速工作环境下受到的非线性摩擦力的特征。基于Stribeck摩擦模型,针对平台特点提出两种改进的精细化的摩擦模型,用来描述不同型号稳定平台中的非线性摩擦力矩。将机理推导的线性模型与改进的Stribeck摩擦模型相结合,得到速度稳定环的综合非线性模型。针对该模型的非线性和多参数特征,采用具有全局寻优能力的遗传算法(Genetic Algorithm, GA)进行参数辨识。对辨识所得的模型在均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)和隔离度两方面性能上进行分析和验证,确定模型的高精度和适用性。并建立速度稳定环在MATLAB中Simulink环境下的仿真系统。(2)基于辨识得到的模型,设计、优化非线性摩擦力的前馈补偿策略,应用到实际的惯性稳定平台中,实现速度稳定环的高精度控制。根据非线性摩擦力模型部分,设计相应的前馈补偿策略,并在仿真平台中实现。针对工程应用中的某些具体因素,对前馈补偿量进行优化设计。然后将前馈补偿策略在调试平台的扰动跟踪系统中进行实际实验,验证该策略的有效性。最后将补偿策略应用到平台实际工作的扰动隔离系统中,通过实际实验进行性能对比分析。(3)在摩擦力前馈补偿的基础上,建立两种直观的模型参考自适应控制(Model Reference Adaptive Control, MRAC)。第一种MRAC是基于连续时间域的状态空间方程,第二种MRAC是基于离散时间域的梯度下降法。在载体扰动跟踪系统的仿真实验中检验两种MRAC的有效性和对非线性摩擦力干扰的抵抗能力。由于在平台实际应用中载体扰动信号不可测,因此根据稳定平台中多框架的运动学方程推导载体扰动观测器。最后将两种MRAC应用在稳定平台的扰动隔离系统中,进行实际实验和性能分析。(4)基于离散时间域重新考虑直接型MRAC在速度稳定环中的设计问题,使控制算法具备规范型。通过模型匹配和条件假设来确定可调控制器的存在性和唯一性,并根据匹配方程推导控制律和参数估计观测方程,得到控制器和自适应律相对独立设计的MRAC规范型结构。选择改进投影算法和渐消记忆递推最小二乘法设计自适应律,并在扰动跟踪系统的仿真实验中验证这两种MRAC的性能。利用控制结构图分析MRAC的稳定性和收敛性条件。将这两种控制器应用在平台实际工作的扰动隔离系统中,进行实验研究和性能分析。最后对本论文中的四种MRAC从原理、结构、仿真实验和实际实验性能等方面进行综合比较。本论文对机载惯性稳定平台的研究方法、实验方法以及相关结论具有较强的工程应用背景,对高精度惯性稳定平台的建模分析、误差补偿和模型参考自适应控制等研究具有较高的参考价值。
[Abstract]:The inertial stabilization platform ( ISP ) is also called gyro stabilization platform ( GSP ) , which is the core equipment for inertial navigation , guidance and measurement of aircraft , ships and vehicles . It can effectively isolate the carrier disturbance and keep the platform stable .
( 2 ) In the design , the traditional controller is usually dependent on the linear model identified by the controlled object in the frequency domain , and the influence of the unmodeled part and the system parameter change is not taken into account . The research object is to improve the precision and applicability of the speed stabilizing ring based on the nonlinear and multi - parameter characteristics of the stable platform . The first MRAC is a state space equation based on continuous time domain , and the second MRAC is a gradient descent method based on discrete time domain .

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V241

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