高精度机载光电平台视轴稳定技术研究

发布时间：2020-09-29 18:54

　　高精度机载光电稳定平台目前广泛应用在国防军事领域中对于空中即地面军事目标的捕获、跟踪以及瞄准任务。其中,视轴稳定精度是衡量平台性能好坏的最关键的一项技术指标,视轴稳定精度越高,光电载荷的成像质量就越高,平台的稳定性能也就越高。然而,在飞机飞行过程中,光电稳定平台会受到包括飞机自身姿态的变化,气流的冲击,电机的振动等扰动影响,使光电载荷的视轴发生震颤甚至是偏离既定目标,严重影响了获取任务目标的图像质量。因此,如何提高平台系统对扰动的抑制能力,是提高视轴稳定精度的关键所在,也是本文研究的重点。本文分析了光电稳定平台的结构和组成,并对影响视轴稳定的扰动因素做了深入研究。针对经典控制方法受制于系统机械谐振的影响,提出将自抗扰控制方法与传统控制方法相结合,并将重复控制策略引入光电稳定平台的控制系统,以解决电机波动力矩对扰动观测值的影响。设计基于重复控制和自抗扰的光电稳定平台控制系统,取得了令人满意的视轴稳定精度。本文主要研究内容如下:1.详细分析了两轴四框架稳定平台的结构和框架联接关系,给出了这种结构相比于两轴两框架平台结构的优点。并对框架间相互力矩传递关系以及转动惯量耦合关系做了详细阐述。分析了稳定平台中最重要的测量原件-陀螺传感器的工作原理和消除噪声方法。简要介绍了稳定平台控制系统的工作原理,为设计扰动隔离方法和控制系统提供了方向。2.深入分析光电稳定平台控制系统中的关键部件的工作原理和数学模型,并利用电流环对每一个框架模型进行简化处理,保证了恒定的力矩输出。根据影响视轴稳定的扰动产生原因和作用机理,将扰动分为模型、力矩和电机的干扰等并给出各自的近似模型。并将这些扰动的作用总和看作一个等效电压的作用,简化了系统的模型,而且与自抗扰控制方法中的扰动分析方法相吻合。3.在平台速度稳定回路中,利用传统控制方法中的平方滞后控制器和平方PI控制器,取得了不错的扰动隔离效果,但是受到系统机械谐振频率的限制,系统带宽无法做到更高,从而令系统视轴稳定精度很难进一步提高。本文在传统控制系统的基础上,将自抗扰控制器引入光电稳定平台控制系统之中,建立了自抗扰控制系统,完全绕开了机械谐振对控制系统性能提高的限制条件。并提出利用Lu Gre摩擦力模型对扰动观测值的“超调”现象进行实时修正,提高了扰动观测值的准确度,从而进一步提高了自抗扰控制器的扰动抑制能力。4.观察扩张状态观测器的观测值,发现观测值的波形存在波动现象,详细分析这种现象产生的原因,引出电机的电磁波动力矩的影响,这种波动力矩使扰动观测值出现高频、小幅的跳变,使扰动观测值不能很好地跟踪系统受到的扰动,影响自抗扰控制系统的扰动抑制能力。提出基于“内膜原理”的重复控制策略,很好地抑制电机的电磁波动力矩对扰动观测值的影响。本文针对两轴四框架平台设计了改进型重复控制器,设计并优化了低通滤波器以及动态补偿器。5.结合传统控制策略,设计了基于自抗扰控制器和重复控制器的光电稳定平台控制系统。在摇摆台上进行速度稳定实验和目标跟踪实验,测试控制系统对1°,3Hz内扰动的抑制效果。实验结果表明,相比与传统的控制方法,本文设计的稳定控制系统,随着扰动频率的变化,扰动隔离度提高范围为(6.28-16.9)d B。在跟踪18°,0.03Hz的正弦运动目标时,采用本文控制系统时,视轴以21°的幅度跟踪目标,偏差只有1/6,比采用传统方法的跟踪性能提高了75%,而且稳态速度残差也比传统方法明显减小,实验也表明控制系统具有很强的鲁棒性。因此,基于自抗扰控制策略和重复控制策略的光电稳定平台控制系统,对提高航空光电稳定平台控制系统的视轴稳定精度具有很高的实用价值。
【学位单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：V243;TP273
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章绪论
    1.1 课题背景和研究意义
        1.1.1 国内外研究现状
        1.1.2 课题控制策略的引出
    1.2 自抗扰控制策略概述
        1.2.1 自抗扰控制策略
        1.2.2 自抗扰控制策略的发展和研究现状
    1.3 重复控制策略概述
        1.3.1 重复控制原理和方法
        1.3.2 重复控制策略的发展与研究现状
    1.4 论文的主要研究内容
第2章光电稳定平台结构及扰动分析
    2.1 引言
    2.2 平台结构分析
        2.2.1 平台框架连接关系分析
        2.2.2 平台框架转动惯量耦合关系分析
    2.3 稳定平台工作原理
        2.3.1 伺服控制系统组成
        2.3.2 控制系统工作方式
    2.4 影响平台稳定的扰动因素分析
        2.4.1 建模误差干扰
        2.4.2 力矩干扰
        2.4.3 电机干扰
    2.5 平台控制系统建模
    2.6 本章小结
第3章自抗扰控制策略研究及控制器设计
    3.1 引言
    3.2 经典控制方法
        3.2.1PID控制
        3.2.2 平方滞后控制器
        3.2.3 平方PI控制器
        3.2.4 传统控制方法的局限性
    3.3 自抗扰控制策略
        3.3.1 自抗扰控制器的组成
        3.3.2 利用跟踪微分器安排过渡过程
        3.3.3 设计扩张状态观测器
        3.3.4 斐波那契数列对扩张观测器参数的整定
        3.3.5 动态补偿线性化
        3.3.6 鲁棒性分析
    3.4 自抗扰控制器设计
    3.5 基于Lugre模型的扰动观测值修正
        3.5.1 扰动观测值滞后现象修正
        3.5.2 扰动观测值“超调”现象修正
    3.6 扰动观测值分析
    3.7 本章小结
第4章重复控制策略研究及设计
    4.1 引言
    4.2 重复控制方法
        4.2.1 基于内膜原理的重复控制器
        4.2.2 改进型重复控制器
    4.3 稳定平台重复控制器设计
        4.3.1 插入式重复控制器设计
        4.3.2 鲁棒稳定性分析
        4.3.3 重复控制系统的实现
    4.4 低通滤波器与动态补偿器的设计
    4.5 本章小结
第5章高精度航空光电稳定平台控制系统设计
    5.1 引言
    5.2 经典平方滞后控制策略
    5.3 基于重复控制器和自抗扰控制器的控制系统设计
        5.3.1 自抗扰控制器
        5.3.2 插入式重复控制器
        5.3.3 平台控制系统设计
    5.4 平台稳定实验
        5.4.1 速度稳定实验
        5.4.2 目标跟踪实验
        5.4.3 鲁棒性分析
    5.5 实验结果讨论
    5.6 本章小结
第6章总结与展望
    6.1 总结
    6.2 主要创新点
    6.3 研究展望
参考文献
在学期间学术成果情况
指导教师及作者简介
致谢

【相似文献】