陀螺穩(wěn)定光電跟蹤平臺伺服控制系統(tǒng)研究.pdf

1、陀螺穩(wěn)定跟蹤平臺廣泛應用于彈箭制導、機載、艦載、車載武器等軍事領域和空間遙感探測、公安消防、環(huán)境監(jiān)測等民用領域。為了實現(xiàn)運動載體上光電跟蹤設備的視軸穩(wěn)定以保證對機動目標的精確瞄準跟蹤，本論文在研制一套新型四軸陀螺穩(wěn)定光電跟蹤轉臺模擬裝置的基礎上，針對陀螺穩(wěn)定光電跟蹤系統(tǒng)中的視軸穩(wěn)定控制、陀螺零漂信號分析與處理、目標狀態(tài)濾波和預測以及跟蹤控制等關鍵技術進行了理論研究和實驗驗證。論文主要研究成果包括： 1設計研制了一套集載體運動姿態(tài)

2、和負載平臺運動姿態(tài)于一體的新型多功能精密四軸陀螺穩(wěn)定光電跟蹤模擬轉臺裝置。四軸轉臺中底座搖擺臺用于模擬載體運動干擾姿態(tài)，負載陀螺穩(wěn)定臺用來模擬光電跟蹤系統(tǒng)在載體上的偏航和俯仰姿態(tài)。穩(wěn)定跟蹤平臺采用力矩電機直接驅動，以光纖陀螺(FOG)作為慣性速率敏感元件構成視軸穩(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偏差檢測反饋元件組成跟蹤回路，采用高速DSP運動控制模塊為核心建立了具有開放式結構、標準模塊化的多功能轉臺串級伺服

3、控制系統(tǒng)。 2針對光纖陀螺輸出信號漂移誤差和噪聲對視軸穩(wěn)定回路的影響，提出了采用Allan方差法對光纖陀螺零漂信號進行時域分析方法。根據(jù)光纖陀螺信號漂移和噪聲的Allan方差與功率譜密度(PSD)關系，在Allan標準差模型的基礎上采用最小二乘法(LSM)進行樣本數(shù)據(jù)擬和，有效地分離和辨識出了光纖陀螺零漂信號中的各項誤差源隨機誤差系數(shù)和誤差貢獻大小。在此基礎上，研究了三種直接對陀螺輸出信號濾波處理的方法：滑動濾波、FLP自適應濾

4、波、小波變換閾值濾波。對陀螺數(shù)據(jù)測試和統(tǒng)計分析結果表明，小波變換濾波的去噪效果優(yōu)于其它方法。 3針對視軸穩(wěn)定回路單速度環(huán)控制結構缺點，提出了一種采用直流測速機為電機轉速測量反饋元件構成模擬速度內(nèi)環(huán)，利用陀螺的“空間測速機”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)串級控制結構。從系統(tǒng)抗干擾性、魯棒性等方面與單速度環(huán)控制進行了理論分析和比較，仿真及實驗效果顯示該控制結構能夠將速度穩(wěn)定環(huán)的抗摩擦力矩干擾功能和隔離外部載體擾動功能分

5、開設計實現(xiàn)，控制性能優(yōu)于單速度環(huán)控制。 4針對視軸穩(wěn)定系統(tǒng)中機械諧振、力矩耦合負載變化及電氣參數(shù)波動等非線性不確定因素的影響以及系統(tǒng)特殊環(huán)境的應用要求，提出了一種基于滯環(huán)特性切換條件的視軸穩(wěn)定自適應模糊PID復合控制策略。所提出的自適應模糊控制器采用模糊控制保證系統(tǒng)的快速動態(tài)響應，設計的模糊控制規(guī)則和參數(shù)的在線自適應調整機制來滿足系統(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)間切換來解決單點切換所造成的頻繁抖動。另外，引入非線性加速度阻尼補償來克服系統(tǒng)運行中的低速“跳動”現(xiàn)象。實驗結果顯示該方法達到了更高的控制精度，有效地解決了系統(tǒng)響應快速平穩(wěn)性和高穩(wěn)定精度的矛盾。 5針對跟蹤目標機動的特點和電視圖像跟蹤器信號處理、傳輸造成的測量時滯以及目標狀態(tài)測量中引入的不確定干擾和噪聲，提出了一種基于魯棒H<'∞>濾波和預測的光電自動跟蹤系統(tǒng)自調整內(nèi)?？刂扑惴?。首先，在光電跟蹤機動目標加速度

7、非零均值時間相關模型基礎上，提出了采用H<'∞>濾波對圖像識別目標狀態(tài)進行預測，仿真實驗結果表明該方法能夠有效地抑制目標模型變化和電視跟蹤器隨機測量噪聲，具有良好的預測效果和魯棒性能。然后，設計了一種魯棒自調整IMC算法來補償時滯造成的跟蹤誤差，給出基于相位裕度和幅值裕度指標的內(nèi)?？刂破鲄?shù)設定方程，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)的設計準則，并引入基于二次型性能指標的優(yōu)化方法在線自適應調整控制濾波器參數(shù)。實驗結果顯