舰载自适应稳定平台控制系统的设计

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舰船在航行过程中易受到海浪等外部因素影响而导致船体摇晃,使舰载设备无法保持稳定致使其工作性能降低。而稳定平台正是应用于此的一种装置,它可以实时采集自身姿态变化信息,操纵伺服电机做出及时准确的补偿,保证其上载体自身空间相对位置不发生变化,继而达到保持稳定的目的。本文从控制策略、机械结构以及对扰动与噪声的抑制能力等角度展开研究,旨在设计一种动态性能好、抗干扰能力强的舰载自适应稳定平台控制系统。本文确立了舰载稳定平台三轴三框架的机械结构,并设计了适用其上的控制系统结构方案。在所搭建的平台运动学模型的基础上,以“由内向外”的设计原则分别设计了适用于本系统的电流环、速度环及位置环的闭环反馈控制模型。而后结合所选取的伺服电机及系统参数,分析所建立的模型在不同结构环节下的频域特征,选择了能够使系统具有足够稳定性及优秀动态性能的最优参数,初步完成了系统的控制结构设计。针对速度环对扰动敏感的特性,设计了一种参数经遗传退火粒子群混合算法整定且可自适应调整的改进自抗扰器作为其速度调节器以加强其抗扰能力;为了提高位置环对内环残余扰动、噪声以及外部干扰力矩的抑制能力,通过在经典干扰观测器的结构中加入干扰补偿模型及与之相匹配的低通滤波器,完成了适用于位置环的改进干扰观测器的设计,以进一步提高稳定平台系统稳定性能。仿真结果表明,改进自抗扰器对摩擦力矩及测量噪声的干扰有良好的抑制效果,同条件下相比于PID控制策略,系统超调量显著降低,响应回稳时间也由原来的470ms降低到至约50ms;改进干扰观测器能够较好地对内环残余扰动、噪声以及外部干扰力矩进行预估和补偿;本文所设计的稳定平台控制系统动态性能及抗干扰能力获得较大提升。最后完成了稳定平台控制系统硬件及相关软件的设计。其中,硬件电路主要以主控芯片及其外围电路组成的主控核心、姿态采集单元、伺服电机及其驱动器、电源转换电路和串口电路与系统技术指标的最佳匹配度为标准进行选择,并进行了相关介绍;而控制软件的设计则主要用于实现硬件系统的设计思路、控制算法及工作方式,并实现了人机交互的功能;系统测试表明本设计达到了预期指标。
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