高精度機載光電穩(wěn)定平臺目前廣泛應(yīng)用在國防軍事領(lǐng)域中對于空中即地面軍事目標(biāo)的捕獲、跟蹤以及瞄準(zhǔn)任務(wù)。其中,視軸穩(wěn)定精度是衡量平臺性能好壞的最關(guān)鍵的一項技術(shù)指標(biāo),視軸穩(wěn)定精度越高,光電載荷的成像質(zhì)量就越高,平臺的穩(wěn)定性能也就越高。然而,在飛機飛行過程中,光電穩(wěn)定平臺會受到包括飛機自身姿態(tài)的變化,氣流的沖擊,電機的振動等擾動影響,使光電載荷的視軸發(fā)生震顫甚至是偏離既定目標(biāo),嚴重影響了獲取任務(wù)目標(biāo)的圖像質(zhì)量。因此,如何提高平臺系統(tǒng)對擾動的抑制能力,是提高視軸穩(wěn)定精度的關(guān)鍵所在,也是本文研究的重點。本文分析了光電穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)和組成,并對影響視軸穩(wěn)定的擾動因素做了深入研究。針對經(jīng)典控制方法受制于系統(tǒng)機械諧振的影響,提出將自抗擾控制方法與傳統(tǒng)控制方法相結(jié)合,并將重復(fù)控制策略引入光電穩(wěn)定平臺的控制系統(tǒng),以解決電機波動力矩對擾動觀測值的影響。設(shè)計基于重復(fù)控制和自抗擾的光電穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng),取得了令人滿意的視軸穩(wěn)定精度。本文主要研究內(nèi)容如下:1.詳細分析了兩軸四框架穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)和框架聯(lián)接關(guān)系,給出了這種結(jié)構(gòu)相比于兩軸兩框架平臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。并對框架間相互力矩傳遞關(guān)系以及轉(zhuǎn)動慣量耦合關(guān)系做了詳細闡述。分析了穩(wěn)定平臺中最重要的測量原件-陀螺傳感器的工作原理和消除噪聲方法。簡要介紹了穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的工作原理,為設(shè)計擾動隔離方法和控制系統(tǒng)提供了方向。2.深入分析光電穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件的工作原理和數(shù)學(xué)模型,并利用電流環(huán)對每一個框架模型進行簡化處理,保證了恒定的力矩輸出。根據(jù)影響視軸穩(wěn)定的擾動產(chǎn)生原因和作用機理,將擾動分為模型、力矩和電機的干擾等并給出各自的近似模型。并將這些擾動的作用總和看作一個等效電壓的作用,簡化了系統(tǒng)的模型,而且與自抗擾控制方法中的擾動分析方法相吻合。3.在平臺速度穩(wěn)定回路中,利用傳統(tǒng)控制方法中的平方滯后控制器和平方PI控制器,取得了不錯的擾動隔離效果,但是受到系統(tǒng)機械諧振頻率的限制,系統(tǒng)帶寬無法做到更高,從而令系統(tǒng)視軸穩(wěn)定精度很難進一步提高。本文在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,將自抗擾控制器引入光電穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)之中,建立了自抗擾控制系統(tǒng),完全繞開了機械諧振對控制系統(tǒng)性能提高的限制條件。并提出利用Lu Gre摩擦力模型對擾動觀測值的“超調(diào)”現(xiàn)象進行實時修正,提高了擾動觀測值的準(zhǔn)確度,從而進一步提高了自抗擾控制器的擾動抑制能力。4.觀察擴張狀態(tài)觀測器的觀測值,發(fā)現(xiàn)觀測值的波形存在波動現(xiàn)象,詳細分析這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,引出電機的電磁波動力矩的影響,這種波動力矩使擾動觀測值出現(xiàn)高頻、小幅的跳變,使擾動觀測值不能很好地跟蹤系統(tǒng)受到的擾動,影響自抗擾控制系統(tǒng)的擾動抑制能力。提出基于“內(nèi)膜原理”的重復(fù)控制策略,很好地抑制電機的電磁波動力矩對擾動觀測值的影響。本文針對兩軸四框架平臺設(shè)計了改進型重復(fù)控制器,設(shè)計并優(yōu)化了低通濾波器以及動態(tài)補償器。5.結(jié)合傳統(tǒng)控制策略,設(shè)計了基于自抗擾控制器和重復(fù)控制器的光電穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)。在搖擺臺上進行速度穩(wěn)定實驗和目標(biāo)跟蹤實驗,測試控制系統(tǒng)對1°,3Hz內(nèi)擾動的抑制效果。實驗結(jié)果表明,相比與傳統(tǒng)的控制方法,本文設(shè)計的穩(wěn)定控制系統(tǒng),隨著擾動頻率的變化,擾動隔離度提高范圍為(6.28-16.9)d B。在跟蹤18°,0.03Hz的正弦運動目標(biāo)時,采用本文控制系統(tǒng)時,視軸以21°的幅度跟蹤目標(biāo),偏差只有1/6,比采用傳統(tǒng)方法的跟蹤性能提高了75%,而且穩(wěn)態(tài)速度殘差也比傳統(tǒng)方法明顯減小,實驗也表明控制系統(tǒng)具有很強的魯棒性。因此,基于自抗擾控制策略和重復(fù)控制策略的光電穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng),對提高航空光電穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定精度具有很高的實用價值。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：V243;TP273
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景和研究意義
        1.1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.1.2 課題控制策略的引出
    1.2 自抗擾控制策略概述
        1.2.1 自抗擾控制策略
        1.2.2 自抗擾控制策略的發(fā)展和研究現(xiàn)狀
    1.3 重復(fù)控制策略概述
        1.3.1 重復(fù)控制原理和方法
        1.3.2 重復(fù)控制策略的發(fā)展與研究現(xiàn)狀
    1.4 論文的主要研究內(nèi)容
第2章 光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)及擾動分析
    2.1 引言
    2.2 平臺結(jié)構(gòu)分析
        2.2.1 平臺框架連接關(guān)系分析
        2.2.2 平臺框架轉(zhuǎn)動慣量耦合關(guān)系分析
    2.3 穩(wěn)定平臺工作原理
        2.3.1 伺服控制系統(tǒng)組成
        2.3.2 控制系統(tǒng)工作方式
    2.4 影響平臺穩(wěn)定的擾動因素分析
        2.4.1 建模誤差干擾
        2.4.2 力矩干擾
        2.4.3 電機干擾
    2.5 平臺控制系統(tǒng)建模
    2.6 本章小結(jié)
第3章 自抗擾控制策略研究及控制器設(shè)計
    3.1 引言
    3.2 經(jīng)典控制方法
        3.2.1PID控制
        3.2.2 平方滯后控制器
        3.2.3 平方PI控制器
        3.2.4 傳統(tǒng)控制方法的局限性
    3.3 自抗擾控制策略
        3.3.1 自抗擾控制器的組成
        3.3.2 利用跟蹤微分器安排過渡過程
        3.3.3 設(shè)計擴張狀態(tài)觀測器
        3.3.4 斐波那契數(shù)列對擴張觀測器參數(shù)的整定
        3.3.5 動態(tài)補償線性化
        3.3.6 魯棒性分析
    3.4 自抗擾控制器設(shè)計
    3.5 基于Lugre模型的擾動觀測值修正
        3.5.1 擾動觀測值滯后現(xiàn)象修正
        3.5.2 擾動觀測值“超調(diào)”現(xiàn)象修正
    3.6 擾動觀測值分析
    3.7 本章小結(jié)
第4章 重復(fù)控制策略研究及設(shè)計
    4.1 引言
    4.2 重復(fù)控制方法
        4.2.1 基于內(nèi)膜原理的重復(fù)控制器
        4.2.2 改進型重復(fù)控制器
    4.3 穩(wěn)定平臺重復(fù)控制器設(shè)計
        4.3.1 插入式重復(fù)控制器設(shè)計
        4.3.2 魯棒穩(wěn)定性分析
        4.3.3 重復(fù)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
    4.4 低通濾波器與動態(tài)補償器的設(shè)計
    4.5 本章小結(jié)
第5章 高精度航空光電穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)設(shè)計
    5.1 引言
    5.2 經(jīng)典平方滯后控制策略
    5.3 基于重復(fù)控制器和自抗擾控制器的控制系統(tǒng)設(shè)計
        5.3.1 自抗擾控制器
        5.3.2 插入式重復(fù)控制器
        5.3.3 平臺控制系統(tǒng)設(shè)計
    5.4 平臺穩(wěn)定實驗
        5.4.1 速度穩(wěn)定實驗
        5.4.2 目標(biāo)跟蹤實驗
        5.4.3 魯棒性分析
    5.5 實驗結(jié)果討論
    5.6 本章小結(jié)
第6章 總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 主要創(chuàng)新點
    6.3 研究展望
參考文獻
在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況
指導(dǎo)教師及作者簡介
致謝

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本文編號：2830119