陀螺穩(wěn)定光電跟蹤平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)研究.pdf

1、陀螺穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)廣泛應(yīng)用于彈箭制導(dǎo)、機(jī)載、艦載、車載武器等軍事領(lǐng)域和空間遙感探測(cè)、公安消防、環(huán)境監(jiān)測(cè)等民用領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)載體上光電跟蹤設(shè)備的視軸穩(wěn)定以保證對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的精確瞄準(zhǔn)跟蹤，本論文在研制一套新型四軸陀螺穩(wěn)定光電跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)模擬裝置的基礎(chǔ)上，針對(duì)陀螺穩(wěn)定光電跟蹤系統(tǒng)中的視軸穩(wěn)定控制、陀螺零漂信號(hào)分析與處理、目標(biāo)狀態(tài)濾波和預(yù)測(cè)以及跟蹤控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。論文主要研究成果包括： 1設(shè)計(jì)研制了一套集載體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

2、和負(fù)載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)于一體的新型多功能精密四軸陀螺穩(wěn)定光電跟蹤模擬轉(zhuǎn)臺(tái)裝置。四軸轉(zhuǎn)臺(tái)中底座搖擺臺(tái)用于模擬載體運(yùn)動(dòng)干擾姿態(tài)，負(fù)載陀螺穩(wěn)定臺(tái)用來(lái)模擬光電跟蹤系統(tǒng)在載體上的偏航和俯仰姿態(tài)。穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，以光纖陀螺(FOG)作為慣性速率敏感元件構(gòu)成視軸穩(wěn)定內(nèi)回路，以光電編碼器或CCD電視跟蹤器分別作為位置反饋和目標(biāo)偏差檢測(cè)反饋元件組成跟蹤回路，采用高速DSP運(yùn)動(dòng)控制模塊為核心建立了具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)模塊化的多功能轉(zhuǎn)臺(tái)串級(jí)伺服

3、控制系統(tǒng)。 2針對(duì)光纖陀螺輸出信號(hào)漂移誤差和噪聲對(duì)視軸穩(wěn)定回路的影響，提出了采用Allan方差法對(duì)光纖陀螺零漂信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析方法。根據(jù)光纖陀螺信號(hào)漂移和噪聲的Allan方差與功率譜密度(PSD)關(guān)系，在Allan標(biāo)準(zhǔn)差模型的基礎(chǔ)上采用最小二乘法(LSM)進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)擬和，有效地分離和辨識(shí)出了光纖陀螺零漂信號(hào)中的各項(xiàng)誤差源隨機(jī)誤差系數(shù)和誤差貢獻(xiàn)大小。在此基礎(chǔ)上，研究了三種直接對(duì)陀螺輸出信號(hào)濾波處理的方法：滑動(dòng)濾波、FLP自適應(yīng)濾

4、波、小波變換閾值濾波。對(duì)陀螺數(shù)據(jù)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，小波變換濾波的去噪效果優(yōu)于其它方法。 3針對(duì)視軸穩(wěn)定回路單速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，提出了一種采用直流測(cè)速機(jī)為電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量反饋元件構(gòu)成模擬速度內(nèi)環(huán)，利用陀螺的“空間測(cè)速機(jī)”功能組成數(shù)字穩(wěn)定外環(huán)的視軸穩(wěn)定系統(tǒng)雙速度閉環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)抗干擾性、魯棒性等方面與單速度環(huán)控制進(jìn)行了理論分析和比較，仿真及實(shí)驗(yàn)效果顯示該控制結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑺俣确€(wěn)定環(huán)的抗摩擦力矩干擾功能和隔離外部載體擾動(dòng)功能分

5、開(kāi)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，控制性能優(yōu)于單速度環(huán)控制。 4針對(duì)視軸穩(wěn)定系統(tǒng)中機(jī)械諧振、力矩耦合負(fù)載變化及電氣參數(shù)波動(dòng)等非線性不確定因素的影響以及系統(tǒng)特殊環(huán)境的應(yīng)用要求，提出了一種基于滯環(huán)特性切換條件的視軸穩(wěn)定自適應(yīng)模糊PID復(fù)合控制策略。所提出的自適應(yīng)模糊控制器采用模糊控制保證系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，設(shè)計(jì)的模糊控制規(guī)則和參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制來(lái)滿足系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的控制要求；采用變速積分PID控制抑制執(zhí)行電機(jī)飽和和克服模糊控制固有的精度“盲區(qū)”：

6、提出具有滯環(huán)特性的區(qū)間切換來(lái)解決單點(diǎn)切換所造成的頻繁抖動(dòng)。另外，引入非線性加速度阻尼補(bǔ)償來(lái)克服系統(tǒng)運(yùn)行中的低速“跳動(dòng)”現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法達(dá)到了更高的控制精度，有效地解決了系統(tǒng)響應(yīng)快速平穩(wěn)性和高穩(wěn)定精度的矛盾。 5針對(duì)跟蹤目標(biāo)機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)和電視圖像跟蹤器信號(hào)處理、傳輸造成的測(cè)量時(shí)滯以及目標(biāo)狀態(tài)測(cè)量中引入的不確定干擾和噪聲，提出了一種基于魯棒H<'∞>濾波和預(yù)測(cè)的光電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)自調(diào)整內(nèi)模控制算法。首先，在光電跟蹤機(jī)動(dòng)目標(biāo)加速度

7、非零均值時(shí)間相關(guān)模型基礎(chǔ)上，提出了采用H<'∞>濾波對(duì)圖像識(shí)別目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠有效地抑制目標(biāo)模型變化和電視跟蹤器隨機(jī)測(cè)量噪聲，具有良好的預(yù)測(cè)效果和魯棒性能。然后，設(shè)計(jì)了一種魯棒自調(diào)整IMC算法來(lái)補(bǔ)償時(shí)滯造成的跟蹤誤差，給出基于相位裕度和幅值裕度指標(biāo)的內(nèi)模控制器參數(shù)設(shè)定方程，分析得到了在模型失配情況下的系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定條件以及參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并引入基于二次型性能指標(biāo)的優(yōu)化方法在線自適應(yīng)調(diào)整控制濾波器參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯