滑模变结构控制在机载光电平台中的应用研究

发布时间：2020-07-11 03:18

【摘要】：机载光电平台作为非常重要的无人机任务载荷,被广泛用于航空侦察、目标指示和定位、打击校射、战场毁伤评估、航空测绘等领域。它最主要的功能是隔离载机扰动,使光学设备的视轴具有稳定的空间指向并且稳定地跟踪指定目标。随着搭载的光学设备探测距离的不断加大,对机载光电平台性能指标的要求越来越高。精密伺服控制系统是机载光电平台的重要组成部分,其运动控制性能对机载光电平台的精度和性能的提高起到了决定性的作用。工程应用中,应用比较广泛的控制器仍然是传统的比例积分微分(PID)和超前滞后等线性控制器。这类控制器虽然使用起来比较方便简单,并且经过多年发展和完善在机载光电平台上的应用已经比较成熟,也能取得不错的效果。但是,当需要进一步提升系统性能时,这类控制器具有其固定的局限:首先,传统线性控制器对载体扰动、摩擦、质量不平衡、气流扰动、输出力矩波动、发动机震动等内部外部扰动和非线性效应的控制能力有限,依赖精确模型的控制器设计没有充分考虑未建模动态和系统参数变化的影响;其次,传统应用中对每个框架的单独控制对多个自由度之间存在耦合的多输入多输出(Multiple input and multiple output:MIMO)系统控制效果不理想。本文以某三轴机载光电平台为研究对象,针对以上问题进行了如下理论和应用研究。首先,分析了几种机载光电稳定平台的框架结构及特点,对被动隔振和主动稳定的机理,以及影响机载光电平台伺服控制系统性能的各类扰动进行了全面的分析。由于永磁同步电机具有转矩惯量比高、无电刷摩擦、高可靠性等特点,在机载光电平台控制系统中备受关注。本文对基于永磁同步电机驱动的伺服控制系统进行建模分析,得到同步旋转坐标系下的系统模型。在模型基础上设计了基本的滑模控制器,通过数值仿真验证了滑模控制器的抗扰动性能,并进一步分析了滑模控制器中切换增益过大容易造成抖振的问题,实际应用时必须加以抑制。其次,针对机载光电平台系统扰动复杂性的特点,本文提出了基于快速非线性跟踪微分器和扰动观测器的鲁棒滑模控制方法。由于滑模控制律的高切换增益容易造成抖振,并且一般情况下,在实际系统中没有加速度传感器的条件下,不容易获取信号的微分。因此在提出的鲁棒滑模控制器中加入快速非线性跟踪微分器和扰动观测器,跟踪微分器可以提供信号的微分,而扰动观测器除了可以利用其观测得到的扰动对系统进行补偿外,还可以有效的降低滑模控制律的切换增益从而降低系统的抖振效应。同时,为了降低输入信号噪声的影响,本文对快速跟踪微分器进行了改进。通过在单轴永磁同步电机试验平台上进行对比实验,证明了本文提出的基于快速跟踪微分器和扰动观测器的鲁棒滑模控制方法的有效性。再次,针对传统应用中对每个框架的单独控制带来的多个自由度之间存在解耦不彻底和未建模耦合特性等问题,本文针对三轴机载光电平台建立相对完善的三自由度耦合模型,模型充分考虑了研究对象三个框架之间的动力学耦合,并给出其动力学方程。在建立的模型基础上,提出了一种针对三轴机载光电平台的MIMO模糊滑模控制方法,方法的主要特点是利用模糊逻辑进行耦合补偿的同时还可以有效的减轻滑模控制的抖振效应。实验结果验证了所提方法的耦合补偿作用。最后,本文根据某项目的实际需要,进行了三轴机载光电平台系统伺服控制及驱动器的设计,对永磁同步电机SVPWM控制的数字化实现进行了详细的介绍。利用五轴摇摆台搭建实验系统对所提控制方法进行了验证和分析。实验结果表明,本文提出的三轴机载光电平台MIMO模糊滑模控制方法具有实际的可行性,引入快速跟踪微分器的改进算法在三轴机载光电平台稳定精度的提高方面具有明显优势。
【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】：2019
【分类号】：V24;TP273
【图文】：

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第 1 章绪论第 1 章绪论的目的和意义战场上的重要作用已经得到世界各国的战场侦察、目标定位与打击、毁伤效果quation Chapter 1 Section 1台一般由惯性稳定平台和可见光相机、成，典型的机载光电平台结构如图 1.1到超视距的信息，为作战方提供第一手至关重要的作用。从某种程度上讲，现多的敌方信息直接关系到战争的胜败。

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盾”是一种导航和目标瞄准分置的机载吊舱式光电察距离可达 24.5 千米。后来，美国海军又对第一代了新型的激光器，提高了激光器的工作距离，前了提升，改进后的系统从原来的 7600 米作战高度技术的进一步发展，美军服役的新近瞄准吊舱的进，其现有高端装备均可以在超过 15000 米的高击手”系列增程型瞄准吊舱，采用了新型的前视到了进一步的提升，其目标的辨认能力甚至达到了5 倍。(a) “蓝盾”系列瞄准吊舱

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图 1.3 鹰隼-III 昼夜瞄准吊舱Figure 1.3 YINGS-III day/night targeting pod利用无人机确立了在战场上的优势地位以后，经历了察平台得到了世界各国的关注，更成为各国军队不载光电平台研制方面，美国、以色列、加拿大一直 1.6 分别是国外比较具有代表性的机载光电平台。先的光电平台的性能参数。从官方公布的数据可以载光电平台的稳定精度甚至达到了 5 rad。

【参考文献】