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机载光电稳定平台数字控制关键技术研究

作　者: 庞新良
导　师: 范大鹏
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 稳定平台机载平台数字控制系统 DSP 递阶最小二乘迭代辨识模糊控制复合控制器多采样率控制系统
分类号: TP273
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

机载光电稳定平台系统能隔离机体的运动,稳定光电探测器的视轴,实现对目标的观察和跟踪,在军民用领域有着广泛的应用价值。现有的机载平台大多采用模拟控制,数字控制系统能提高系统综合性能,便于系统调试,采用数字控制方式是平台系统的必然发展方向,系统辨识、控制器设计和多采样率问题的研究是数字控制系统研究的关键问题,有关机载光电稳定平台数字控制的这些关键技术研究是本文的目的。机载光电稳定平台采用陀螺检测惯性空间速度,组成闭环控制实现对机体运动的隔离,利用头盔、视轴与目标轴之间角度偏差的牵引,完成对环境的侦察或目标的跟踪。机载光电稳定平台由俯仰轴和方位轴组成两轴两框架平台系统,主要由机构、电子箱、光电探测器、检测传感器组成。在理论研究方面,被控对象的精确模型是高精度控制系统的首要保证,合理的系统辨识模型有助于我们理解系统的内部结构和工作机制。平台系统由非线性和线性部分组成,本文研究了存在非线性摩擦时,提炼线性部分模型传递函数的问题。对存在摩擦的系统,直接检测被控对象的频率特性将产生较大的误差,采用差分、大幅值的信号激励被控对象,采集被控对象的差分响应来获取频率特性,可基本消除非线性摩擦对频率特性产生的误差影响。采用递阶最小二乘迭代辨识算法对获取的频率特性进行传递函数的辨识,可使传递函数参数在任意初始值情况下收敛至真值,基于此算法的递阶辨识方法可获得平台模型的高精度传递函数。控制策略的选择和控制器的设计是高精度控制系统的关键环节,本文研究了滞后超前校正+模糊控制组成的复合控制器对平台系统进行控制的问题。滞后超前校正控制精度高,模糊控制抗非线性能力强,综合二者优点组成复合控制器,与单纯的滞后超前校正器相比,复合控制器使平台系统具有较高的隔离效果,同时具有平滑的阶跃响应,且能有效抑制外部阻力扰动和非线性摩擦。平台系统采用DSP实现伺服控制算法,属于多采样率控制系统。基于提升、抽样和保持技术,本文研究多采样率反馈控制闭环系统的传递函数和控制器设计问题,矩阵提升传递函数将多采样率闭环控制系统由周期时变系统转换成周期时不变系统,提出滤波保持的概念,指出在设计多采样率控制器时,综合考虑系统带宽、采样频率和控制频率,适当选择滤波保持器用以消除低频采样带来的误差。在实现技术研究方面,采用V/F变换+CPLD计数解决机载平台陀螺速度信号的长距离传输问题,根据电机系统的特性,采用模拟PI电路实现电机的电流闭环控制,使电流闭环的带宽达到1.25kHz。采用DSP实现速度环和位置环的数字控制器,分析并验证了连续域高阶控制器分解成连续域低阶控制器,将低阶控制器离散后进行串联控制,这种实现方式的数字控制器与连续域控制器之间的控制误差,将远小于直接将连续域高阶控制器离散成高阶数字控制器产生的控制误差。在论文的最后,介绍了机载光电稳定平台的实验结果。

全文目录

表目录  7-8
图目录  8-11
摘要  11-13
ABSTRACT  13-15
第一章绪论  15-27
  1.1 机载光电稳定平台国内外研究现状  15-18
    1.1.1 机载光电系统发展历程  15-16
    1.1.2 国外机载光电稳定平台系统现状  16-17
    1.1.3 国内机载光电稳定平台系统现状  17-18
  1.2 关键技术分析及其研究现状  18-25
    1.2.1 系统模型辨识方法研究现状  18-22
    1.2.2 平台系统控制方法研究现状  22-23
    1.2.3 多采样率数字控制系统研究现状  23-25
  1.3 论文研究的目的及主要内容  25-27
第二章平台工作原理及理论模型分析  27-39
  2.1 功能及工作原理分析  27-31
    2.1.1 系统功能与组成  27-29
    2.1.2 稳定与跟踪的原理  29-31
  2.2 平台控制模型的理论分析  31-38
    2.2.1 直流电机的模型分析  32-34
    2.2.2 电机电流环模型分析  34-35
    2.2.3 机械谐振特性模型分析  35-36
    2.2.4 非线性摩擦模型  36-37
    2.2.5 平台速度控制回路模型  37-38
  本章小结  38-39
第三章平台传递函数高精度辨识方法研究  39-63
  3.1 平台机构响应的分析与测量信号的选取  39-42
    3.1.1 摩擦对频率响应特性的影响分析  39-41
    3.1.2 频率特性测量信号的选取方法  41-42
  3.2 频率特性估计与测量  42-45
    3.2.1 频率特性测量方法  43-44
    3.2.2 最佳估计方法计算频率特性  44
    3.2.3 平台系统的频率特性测量实例  44-45
  3.3 递阶最小二乘迭代传递函数辨识算法  45-59
    3.3.1 传递函数的频域响应及其辨识模型  45-46
    3.3.2 递阶最小二乘迭代(HLSI)传递函数辨识算法  46-49
    3.3.3 递阶最小二乘迭代传递函数辨识算法的收敛性证明  49-52
    3.3.4 应用实例及其辨识误差分析  52-54
    3.3.5 算法的推广  54-58
    3.3.6 辨识过程的若干问题分析  58-59
  3.4 平台系统模型高精度辨识实例分析  59-62
    3.4.1 平台电流环被控对象的传递函数  59-61
    3.4.2 平台速度环被控对象的传递函数  61-62
  本章小结  62-63
第四章平台复合控制方法研究  63-81
  4.1 平台稳定控制的过程分析  63-65
    4.1.1 平台稳定控制  63-64
    4.1.2 稳定控制的仿真及结果  64-65
  4.2 滞后超前校正器设计及响应  65-70
    4.2.1 滞后超前校正器设计准则  65-67
    4.2.2 平台稳定环路滞后超前校正器设计  67-70
  4.3 滞后超前校正+模糊控制的复合控制器设计  70-76
    4.3.1 复合控制器应用需求分析  70
    4.3.2 复合控制器的结构与工作原理  70-72
    4.3.3 平台二维模糊控制器的设计过程  72-74
    4.3.4 平台滞后超前校正+模糊控制的复合控制器设计  74-76
  4.4 平台复合控制效果分析  76-79
    4.4.1 复合控制的速度环隔离效果分析  76-77
    4.4.2 复合控制器的阶跃响应分析  77
    4.4.3 复合控制器对阶跃阻力扰动的响应分析  77-78
    4.4.4 复合控制器对非线性摩擦的抑制分析  78-79
  本章小结  79-81
第五章平台多采样率控制方法研究  81-99
  5.1 多采样率控制问题的提出与分析  81-83
    5.1.1 多采样率的存在  81-82
    5.1.2 多采样率对系统精度的影响  82-83
  5.2 采样控制系统中的提升、保持和抽样技术  83-87
    5.2.1 提升技术  83-84
    5.2.2 保持技术  84-86
    5.2.3 抽样技术  86-87
  5.3 多采样率数字控制系统分析及设计  87-96
    5.3.1 控制系统信号采样的频域特性及高频数字滤波算法扩展延拓周期  87-90
    5.3.2 数字反馈控制系统结构与组成  90-91
    5.3.3 多采样率数字控制闭环系统传递函数  91-95
    5.3.4 多采样率数字控制系统设计  95-96
  5.4 多采样率控制系统设计的应用实例  96-98
    5.4.1 机载光电稳定平台多采样率控制系统设计  96-97
    5.4.2 平台多采样率控制系统响应  97-98
  本章小结  98-99
第六章平台设计与实现  99-109
  6.1 系统的构成与工作原理  99-101
    6.1.1 外围接口及其实现  99-100
    6.1.2 控制系统硬件电气结构组成  100-101
  6.2 平台控制硬件电路设计  101-106
    6.2.1 重要器件选型  101-102
    6.2.2 伺服控制电路设计  102-103
    6.2.3 伺服驱动电路设计  103-104
    6.2.4 电流闭环模拟电路设计  104-105
    6.2.5 长距离传输的速度检测电路设计  105-106
  6.3 控制软件设计  106-108
    6.3.1 软件主要功能及框架  106
    6.3.2 软件流程  106-107
    6.3.3 控制器数字化  107-108
  本章小结  108-109
第七章试验及结果  109-117
  7.1 稳定试验  109-112
    7.1.1 室内试验及结果  109-110
    7.1.2 摇摆台试验及结果  110-111
    7.1.3 车载试验及结果  111-112
  7.2 跟踪试验  112-115
    7.2.1 室内试验及结果  112-113
    7.2.2 摇摆台试验及结果  113-114
    7.2.3 车载试验及结果  114-115
  本章小结  115-117
第八章结论与展望  117-119
  8.1 论文的主要工作与创新点  117-118
  8.2 对未来的展望  118-119
致谢  119-121
参考文献  121-131
作者在学期间取得的学术成果  131-132

机载光电稳定平台数字控制关键技术研究

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