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陀螺稳定平台(Gyroscope Stabilized Platform,GSP)是惯性导航、制导及测量系统中的核心设备,它一方面可以有效隔离载体的扰动从而保持平台稳定,另一方面可以使平台上搭载的光电跟踪设备保持相对惯性空间的指向或按命令对目标物体进行跟踪,广泛应用在军用和民用工程中。随着工程应用领域对系统控制精度的要求不断提高,对陀螺稳定平台的性能要求也越来越来高。对陀螺稳定平台进行高精度控制显得尤为重要。
机载环境下,由于载体自身的运动以及外界环境对载体的干扰等都可以通过平台框架轴间几何约束和摩擦约束耦合到平台上,造成平台上光电跟踪设备视轴的晃动,导致光电设备的跟踪性能下降。因此,必须采用视轴稳定技术,为光电跟踪设备提供一个相对惯性空间稳定的工作平台,隔离载体扰动对平台的影响。
本文主要研究两轴四框架下机载光电陀螺稳定平台隔离载体扰动的高精度控制,以平台内方位速度环为例进行建模、控制器设计等相关研究工作:
(1)在对内方位速度环各模块分析的基础上,利用实验建模与机理建模相结合的方法建立平台线性模型;针对非线性因素中占据主导地位的非线性摩擦力,并结合已有的线性模型,建立平台非线性模型;针对非线性摩擦力进行前馈补偿的控制器的设计与仿真实验分析,并且在对关键非线性部分已补偿的基础上,进行带有非线性摩擦力前馈补偿的多种线性控制器的设计;在进行了每一种控制系统的仿真实验及其结果性能对比分析的基础上,设计出最终满足性指标要求的实用的控制器。
(2)在建立两轴四框架陀螺稳定平台内方位速度环的非线性模型,并对非线性摩擦力进行前馈补偿的基础上,将模型参考自适应控制理论引入到陀螺稳定平台的系统控制中。根据控制系统结构、输入/输出关系以及广义输出误差建立了离散模型参考自适应控制系统;推导出带有可调函数的自适应控制器;针对可调函数的分母有可能出现接近于零或为零值而导致可调函数值得非常大甚至无穷大的情况,提出了一种通过对分母采用阈值限制,在分母小于阈值的情况下采用上一时刻函数值代替当前时刻函数值的改进方法。对所提出的控制器的优越性进行了性能对比实验:在非线性摩擦力前馈补偿不充分的情况,分别采用所提出的模型参考自适应控制和比例-积分控制进行系统仿真的性能对比实验及其实验结果的对比分析。为进一步提高陀螺稳定平台的控制性能,提供了一种新的高精度的控制策略。
(3)在仿真实验的基础上,将设计的控制器进行具体的实际实验。分别进行了常规控制系统、带有摩擦力前馈补偿的常规控制系统以及在摩擦力补偿基础上的模型参考自适应控制系统三种控制系统的实际实验,并对实验结果进行对比分析。