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陀螺稳定平台控制策略研究

作　者: 李伟
导　师: 王常虹
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 陀螺稳定平台摩擦力矩自抗扰控制鲁棒控制 DSP
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

陀螺稳定平台能隔离载体的扰动,使其中的光电传感器视轴指向固定的惯性空间方向,有效地保证系统探测成像质量,因此在军事和民用领域中得到了广泛的应用。随着现代军事技术的发展,对武器设备的跟踪性能、光电传感器视轴的稳定精度提出了更高的要求,各种先进的稳定平台应运而生。本文首先介绍了陀螺稳定平台的国内外发展现状,针对平台设计的关键性问题,分析了目前稳定平台的主要控制策略,并在现有研究成果的基础上,结合系统的设计指标对稳定平台进行总体设计。然后,对系统的机械部分和电气部分进行分析,同时对其中的主要元器件进行选型,建立单轴控制系统的数学模型。其次,在深入基座角运动引起的沿平台轴的干扰力矩的基础上,推导了各种干扰力矩的数学表达式。由于非线性干扰力矩等因素的存在,利用传统的PID控制很难保证系统的跟踪精度。因此,本文根据对系统跟踪精度影响较大的摩擦干扰,采用自抗扰控制算法进行补偿,并将其仿真结果与传统的PID控制进行对比。结果表明,自抗扰控制在抗干扰性方面具有很强的鲁棒性,其控制效果明显优于PID控制。针对自抗扰控制器对系统不确定性和输出测量噪声的敏感性问题,本文提出了平台的鲁棒控制策略,并采用混合灵敏度优化的方法设计鲁棒控制器,进行系统仿真。通过与PID和自抗扰控制对比,表明鲁棒控制在克服系统不确定性和抑制输出测量噪声方面有很大的优越性。最后论文根据现有陀螺稳定平台的实验条件,进行系统调试,给出了实际测试曲线。测试结果表明,系统的基本功能得到实现。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-14
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-10
  1.2 国内外发展状况  10-11
  1.3 陀螺稳定平台面临的问题和控制策略研究现状  11-12
    1.3.1 面临的问题  11
    1.3.2 控制策略研究现状  11-12
  1.4 本文的主要研究内容和结构安排  12-14
    1.4.1 研究目标  12
    1.4.2 研究内容和结构安排  12-14
第2章陀螺稳定平台总体设计  14-22
  2.1 陀螺稳定平台总体方案设计  14-16
    2.1.1 系统的设计指标  14
    2.1.2 系统的机械结构和电气结构  14-15
    2.1.3 系统的整体功能框图  15-16
  2.2 元器件选型  16-18
    2.2.1 伺服控制器的选择  16-17
    2.2.2 伺服电机的选择  17
    2.2.3 速率陀螺的选择  17-18
    2.2.4 测角元件的选择  18
  2.3 陀螺稳定平台系统的数学模型  18-21
    2.3.1 直流力矩电机的数学模型  18-20
    2.3.2 电视跟踪器的传递函数  20
    2.3.3 单轴控制系统的数学模型  20-21
  2.4 本章小结  21-22
第3章陀螺稳定平台自抗扰控制  22-36
  3.1 单轴平台系统的干扰力矩及其对系统的影响  22-29
    3.1.1 基座角运动引起的沿平台轴作用的干扰力矩  22-26
    3.1.2 常值干扰力矩引起的平台误差  26-28
    3.1.3 周期干扰力矩引起的平台误差  28-29
  3.2 自抗扰控制算法介绍  29-32
    3.2.1 自抗扰控制的发展及其概述  29
    3.2.2 自抗扰控制的原理  29-30
    3.2.3 自抗扰控制离散算法  30-32
  3.3 自抗扰控制仿真分析  32-35
    3.3.1 系统跟踪特性分析  32-33
    3.3.2 系统抗干扰性分析  33-34
    3.3.3 稳定精度分析  34-35
  3.4 本章小结  35-36
第4章陀螺稳定平台鲁棒控制器设计  36-55
  4.1 鲁棒控制基础  36-41
    4.1.1 鲁棒控制理论简介  36
    4.1.2 线性不确定系统频域模型  36-38
    4.1.3 系统内稳定和小增益定理  38-40
    4.1.4 H∞标准控制问题  40-41
  4.2 鲁棒性能准则及其指标转化问题  41-45
    4.2.1 鲁棒稳定性及其标称H∞性能条件  41-43
    4.2.2 鲁棒性能的约束条件  43-44
    4.2.3 鲁棒性能与鲁棒稳定转化问题  44-45
  4.3 混合灵敏度问题与标准H∞问题的转化  45-49
    4.3.1 混合灵敏度优化设计问题  45-47
    4.3.2 加权函数的限制条件  47-48
    4.3.3 加权函数的选择  48-49
  4.4 鲁棒控制器设计与仿真分析  49-54
    4.4.1 加权函数约束条件分析  49-50
    4.4.2 系统鲁棒稳定性分析  50-52
    4.4.3 系统鲁棒性能分析  52-54
  4.5 本章小结  54-55
第5章陀螺稳定平台调试结果  55-60
  5.1 系统测试环境  55
  5.2 系统测试结果  55-59
    5.2.1 主要信号波形测试  55-57
    5.2.2 功能性测试  57-59
  5.3 本章小结  59-60
结论  60-61
参考文献  61-64
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  64-66
致谢  66

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