陀螺稳定平台模型参数辨识及其自抗扰控制研究

发布时间：2017-10-18 12:18

本文关键词：陀螺稳定平台模型参数辨识及其自抗扰控制研究

【摘要】：陀螺稳定平台(Gyroscope Stabilized Platform, GSP)是隔离载体的振动并克服载体姿态变化对固定安装在平台上的激光测距仪等光电跟踪设备的影响,同时在控制指令的驱动下,完成光电设备对目标的捕获和跟踪的装置。影响陀螺稳定平台隔离控制精度的主要因素有：被控系统模型中的未建模部分、状态的随机扰动以及输出信号的测量噪声等。实际应用中的陀螺稳定平台仅仅使用PID控制器很难达到更高的期望性能指标。为进一步提高隔离精度,需要一个综合解决各方面影响因素的控制方案。本论文的主要研究工作是针对影响控制的三个因素,设计消除三方面影响的综合控制策略,实现稳定平台的抗扰控制,主要包含以下三个方面：1)在本团队已建立的稳定平台内方位速度环非线性摩擦力模型的基础上,利用遗传算法工具箱对速度环模型中的12个参数进行辨识,利用实数编码的加速遗传算法、混合遗传算法、多种群遗传算法、自适应遗传算法,对参数辨识的结果进行优化,得到速度环的数学模型。2)针对性能的主要的因素,设计一个两步控制策略：第一步,利用自抗扰对系统中未建模部分进行观测及其前向补偿,并设计自抗扰控制中反馈控制为PID控制实现抗平台扰动的调节控制；第二步利用Kalman滤波器对系统中的状态扰动及测量噪声进行滤波消除。实验结果表明,该方案在幅值为3°、频率为1／6Hz的载体扰动下能达到4.61%的隔离度,与非线性摩擦力建模辨识及其前向补偿策略控制实际陀螺稳定平台达到的隔离度的最好值9.39%相比,所题出的控制隔离性能提高了50.9%,具有更高的实用价值。3)将设计的自抗扰控制与基于速度扰动观测器的抗扰控制,在陀螺稳定平台的抗扰控制研究问题下进行基于SIMULINK的仿真性能对比实验,对两者实验结果进行了性能对比分析。实验结果表明,两种方案在幅值为3°频率为1／6Hz的载体扰动下,自抗扰控制能达到4.61%的隔离度,基于扰动观测器的控制策略能达到3.05%,对比利用非线性摩擦力辨识模型进行前向补偿控制在实际控制系统达到的隔离度的最好值为9.39%,大大提高了隔离性能。同时对两种控制策略的对比中发现,自抗扰控制的实时性更强,而基于扰动观测器的控制策略更能有效的提高控制的精度。
【关键词】：陀螺稳定平台 速度环 遗传算法工具箱 自抗扰 速度扰动观测器
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN96
【目录】：

摘要5-6
ABSTRACT6-11
第1章概论11-19
1.1 陀螺稳定平台的发展现状11-12
1.2 陀螺稳定平台控制策略的研究现状12-16
1.2.1 陀螺稳定平台建模和参数辨识的研究现状13-14
1.2.2 陀螺稳定平台控制策略的研究现状14-16
1.3 本论文的主要工作及创新之处16-17
1.3.1 主要研究工作16-17
1.3.2 创新之处17
1.4 本论文的结构安排17-19
第2章遗传算法工具箱和自抗扰控制19-31
2.1 遗传算法工具箱19-20
2.2 遗传算法工具箱中的参数20-27
2.2.1 种群参数21-22
2.2.2 适应度尺度变换22-23
2.2.3 选择函数23-24
2.2.4 复制参数24
2.2.5 变异函数24-25
2.2.6 交叉函数25
2.2.7 移民参数25-26
2.2.8 约束参数26
2.2.9 混合函数26-27
2.2.10 停止条件27
2.3 自抗扰控制原理27-31
第3章基于遗传算法工具箱的速度环模型参数辨识31-43
3.1 陀螺稳定平台速度环模型31-34
3.2 遗传算法工具箱参数的选择34-35
3.2.1 适应度尺度变换函数的选择34
3.2.2 选择函数的选择34-35
3.2.3 变异函数的选择35
3.2.4 交叉函数的选择35
3.3 几种优化遗传算法在工具箱中的实现方式35-37
3.4 速度环模型参数辨识37-41
3.5 本章小结41-43
第4章陀螺稳定平台扰动的自抗扰及其滤波控制43-53
4.1 陀螺稳定平台速度环系统描述及其控制任务43-46
4.1.1 系统描述43-45
4.1.2 控制问题及其控制策略45-46
4.2 陀螺稳定平台的自抗扰控制及其滤波器的设计46-48
4.2.1 自抗扰控制的设计46-47
4.2.2 自适应强跟踪Kalman滤波器设计47-48
4.3 性能对比实验及其结果分析48-52
4.3.1 未考虑测量噪声的速度环自抗扰控制仿真49-51
4.3.2 带测量噪声滤波的控制系统仿真51-52
4.4 本章小结52-53
第5章两种高性能陀螺稳定平台控制策略的性能对比53-61
5.1 两种控制系统结构的设计53-54
5.2 两种控制策略的设计54-57
5.2.1 自抗扰控制的设计55-56
5.2.2 扰动观测器的设计56-57
5.3 系统仿真实验及其性能对比分析57-59
5.4 本章小结59-61
第6章总结与展望61-65
6.1 总结61-62
6.2 展望62-65
参考文献65-71
致谢71-73
攻读硕士期间发表和完成的研究论文和参加的项目73

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