面向机载光电平台的高性能鲁棒控制研究

发布时间：2020-03-26 07:17

【摘要】：在灾害预警、城市监控、野外搜救、精准农业等多个领域,机载光电平台在对预定目标进行捕获、跟踪、瞄准、测量、定位等多个方面具有极为广泛的应用。但随着现代机载光电平台精度日趋提高,框架间线绕、摩擦等内部扰动以及载体晃动、风阻等外界扰动组成的复杂多源扰动对平台光轴指向和稳定精度的影响日益凸显。如何解决机载光电平台复杂内部、外部多源干扰和控制对象模型及参数不确定性等因素对平台光轴指向和稳定精度的影响,是实现机载光电平台高性能鲁棒控制的关键。为了进一步提高机载光电平台光轴指向和稳定精度,抑制平台复杂多源扰动,有必要研究抑制和补偿机载光电平台内外多源干扰、参数及模型不确定性的鲁棒控制算法,并研究面向机载光电平台二级稳定的压电陶瓷驱动器控制,从整体上提升机载光电平台光轴指向及稳定精度。本文从实现机载光电平台高性能鲁棒控制性能出发,以机载光电平台扰动模型为基础,干扰抑制理论分析为依据,实验验证为手段,对机载光电平台的高性能扰动补偿及抑制技术、压电陶瓷驱动器的二级稳定驱动控制技术进行较为深入地研究。全文的主要研究内容及成果如下:(1)分析了机载光电平台运动模型及复杂多源扰动特点。解析两框架机载光电平台扰动特点及耦合关系,分析结果对机载光电平台模型的理解及控制方法的设计具有理论指导意义。针对紧凑型机载光电平台结构设计特点,从物理机理出发分析其线束扰动特征,建立紧凑型机载光电平台扰动数学模型,并采用自适应差分进化算法对扰动模型参数进行辨识和优化,为基于模型的干扰前馈补偿方法提供理论依据。(2)分析了基于干扰观测器的控制方法和自抗扰方法在干扰估计与补偿方面设计原理。在频域上,在一个统一的框架下分析了两种方法基于描述函数的干扰估计与抑制的相似性。根据自抗扰方法非线性扰动抑制的特点,对传统干扰观测器进行了再设计,提出了有限时间干扰观测器方法,并讨论了这种方法的李雅普诺夫稳定性。(3)针对紧凑型机载光电平台复杂多源干扰特点,分析了传感器噪声对系统稳定性的影响,采用无相位滞后的多传感器融合方法提高系统反馈信号信噪比。提出面向紧凑型机载光电平台的精细分层抗干扰方法。内层采用基于含线绕模型的可建模扰动逆模型补偿和有限时间干扰观测方法估计并补偿平台复杂多源扰动,外层采用非奇异终端滑模方法对扰动进行抑制并进一步提高平台控制性能,实现紧凑型机载光电平台高性能鲁棒控制。(4)二级稳定方法可以进一步提高机载光电平台控制性能,本文探讨了面向机载光电平台二级稳定的压电陶瓷驱动控制方法。分析并通过实验验证了压电陶瓷驱动器的非线性特征。提出了基于简化二阶多项式模型的压电陶瓷迟滞特性补偿方法和基于双闭环PID控制的压电陶瓷驱动器控制方法,实现了对压电陶瓷驱动器非线性特征的补偿和抑制,对机载光电平台二级稳定驱动控制技术具有一定的实际应用价值。本文的研究工作为高性能先进鲁棒控制方法在机载光电平台光轴指向与稳定控制中的应用提供了理论支撑和技术参考,对相关领域的研究和应用具有一定的借鉴和参考意义。
【图文】：

频域曲线,滤波器,不同参数,频域

BC 滤波器RC 滤波器的 ADRC 滤波器2[2 g , g]01 02[ , N ( A)]2[2 g , g N ( A)][3 g 01 0[ , [3 g ,3 g，频域上滤波器2( )ADRCQ s 和20( )DOBQ s ，ADRCQ 。不考虑 ADRC 滤波的非线性，频域上 ADC 滤波器具有等价性。 DOBC 和 ADRC 滤波器的频域特性进行了ADRC 等价滤波器的频域对比曲线。当参数相频曲线比较接近。工程上一般根据传感器般设置较小。为了简化分析过程，在接下来置为 0。

滤波器,频域

图 3.6ADRC 等效滤波器与 DOBC 滤波器频域对比Figure 3.6 Comparison of ADRC filter and DOBC filtBode 图中，，DOBC 滤波器幅频、曲线是一条曲线DRC 等效滤波器形式随着输入幅值 A的变化而改02 和的 ADRC 等效滤波器不再是一条曲线，而是线。这里对应于实际控制系统中的滤波器控制器是一簇随着滤波器输入变化的曲线，。同输入幅值下 ADRC 等价滤波器频率特性曲线RC 等价滤波器在频域内是一簇随着输入幅值 A 波器带宽越低。-20020e(dB)Bode Diagram
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V241

【参考文献】