串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺姿態(tài)測量和控制技術研究.pdf

1、艦船在海面上航行時,會受到海浪、海風、洋流等各種海洋擾動的作用,從而引起載體產(chǎn)生搖擺、振動,導致載體上的光學精密儀器、武器瞄準系統(tǒng)、艦載雷達和通訊系統(tǒng)由于載體的姿態(tài)擾動無法正常工作使用。隨著我國海軍軍事力量的現(xiàn)代化建設發(fā)展,水面武器裝備的研究越來越重要。因此,水面武器裝備急需解決的一個問題就是如何克服載體的搖擺、風阻力矩及振動等干擾影響。穩(wěn)定平臺是指能夠使被穩(wěn)定對象在外部干擾作用下相對慣性空間保持方位不變,或在指令力矩作用下能按給定規(guī)律

2、相對慣性空間轉動的裝置。本文設計了一種用于艦船的串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺,并以此為研究對象,進行了深入的理論分析和實驗研究,串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺由上下兩層組成,下臺體為并聯(lián)式穩(wěn)定平臺,用來克服載體的姿態(tài)擾動;上臺體為串聯(lián)式跟蹤平臺,用來實現(xiàn)目標的實時跟蹤。論文在研制一套新型串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺的基礎上,主要對并聯(lián)穩(wěn)定平臺進行研究,以下簡稱為穩(wěn)定平臺,并針對串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺系統(tǒng)組成、影響穩(wěn)定精度的誤差源、姿態(tài)測量和系統(tǒng)建模、控制策略和載體姿態(tài)擾動預測等關

3、鍵技術進行了理論研究和實驗驗證。
　　1.首先設計研制了一套串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺系統(tǒng),既可以克服由于載體姿態(tài)擾動帶來的干擾影響,又可以使跟蹤設備進行實時的目標跟蹤。串并聯(lián)式智能穩(wěn)定平臺系統(tǒng)下臺體部分為一級并聯(lián)穩(wěn)定平臺,該平臺由交流永磁伺服電機直接驅動,通過姿態(tài)測量傳感器硅微陀螺進行實時測量穩(wěn)定平臺的俯仰和橫滾角信息,反饋給高速DSP運動控制模塊控制伺服驅動機構進行調節(jié)并構成閉合回路,實時克服載體姿態(tài)擾動;串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺系統(tǒng)上臺體為二

4、級串聯(lián)跟蹤平臺,跟蹤平臺利用操瞄系統(tǒng)和傾角儀來實時測量目標的位置和跟蹤平臺的姿態(tài)信息,采用高速DSP運動控制模塊實現(xiàn)上臺體的回轉和俯仰跟蹤,從而達到跟蹤平臺的實時跟蹤功能。詳細描述了串并聯(lián)智能穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和總體方案,并對串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的工作原理和一級并聯(lián)穩(wěn)定平臺的主要誤差源進行了分析。
　　2.串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺系統(tǒng)是一種要求精度高、實時性強的機電一體化設備,在對穩(wěn)定平臺系統(tǒng)結構分析和動力學的基礎上,進行了運動學分析

5、。在穩(wěn)定平臺系統(tǒng)中,硅微陀螺儀和傾角儀分別被用來測量反饋串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺下臺體和上臺體的姿態(tài)信息。針對傾角儀輸出誤差中存在的線性誤差和非線性誤差,單一的誤差模型補償已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)要求,文中提出了一種基于最小二乘法和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的誤差多步補償方法。針對陀螺儀輸出信號漂移,文中在前人研究基礎上,對機動跟蹤領域的Singer模型進行了改進優(yōu)化并對陀螺信號進行直接建模,并對常規(guī)卡爾曼濾波方法進行了優(yōu)化,結合交互式模型,提出了一種基于MS-I

6、MMIKF的MEMS陀螺輸出信號消噪的處理方法,研究結果表明該方法對陀螺儀的信號消噪處理可以獲得較為理想的效果。
　　3.為實現(xiàn)穩(wěn)定平臺高精度控制,建立了電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的三環(huán)控制結構。在速度穩(wěn)定環(huán)中引入了干擾觀測器和灰色預測控制器,將干擾觀測器和灰色預測控制器兩種控制器結合應用到穩(wěn)定平臺系統(tǒng)中。前人研究表明經(jīng)典干擾觀測器可較好地抑制速度環(huán)中低頻擾動影響,但對高頻測量噪聲及模型攝動的抑制效果不是很理想。針對這個問題,引入了一

7、種改進型干擾觀測器,并針對常規(guī)整數(shù)階的干擾觀測器進行了分數(shù)階研究,將整數(shù)階低通濾波器替換為分數(shù)階濾波器,提出了一種基于灰色預測控制和分數(shù)階改進干擾觀測器的干擾抑制方法,并對灰色預測的預測步長和預測誤差建立了參數(shù)自適應調節(jié)模塊,數(shù)值仿真結果顯示該控制方法不僅可以較好地抑制摩擦力矩影響和外界測量噪聲干擾,而且提高了系統(tǒng)的響應能力。
　　4.在穩(wěn)定平臺位置跟蹤環(huán)中,針對串并聯(lián)式智能穩(wěn)定平臺位置跟蹤回路的時滯特性分析和載體的姿態(tài)擾動影響,

8、提出了一種基于自適應灰色預測控制的復合控制方法(CAGPC)。通過在反饋通道中引入了灰色預測控制器,來解決系統(tǒng)時滯環(huán)節(jié)的影響,針對常規(guī)固定步長灰色預測和預測模型存在預測誤差的弊端,提出了一種同時調節(jié)預測步長和綜合誤差權值的自適應調節(jié)模塊,依據(jù)控制系統(tǒng)實際誤差和預測誤差,同時調節(jié)灰色預測步長和預測誤差的權值,來提高預測模型的適應性與系統(tǒng)的控制精度;其次針對外界干擾引入前饋補償控制器對擾動進行抑制來改善穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)的干擾抑制。最后通過數(shù)

9、值仿真和穩(wěn)定平臺實驗驗證表明,基于自適應灰色預測控制的復合控制方法提高了穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)的響應和干擾抑制能力。
　　5.為了對載體姿態(tài)擾動進行提前預測,在前饋通道中實現(xiàn)超前控制,在艦船載體姿態(tài)擾動序列進行混沌特性判定的基礎上,提出了一種基于灰色-混沌預測的載體姿態(tài)擾動預測方法,利用改進優(yōu)化的GM(1.1)灰色預測模型對重構相空間中的重構相點L1范數(shù)演變規(guī)律進行研究,通過對L1范數(shù)預測后通過反解L1范數(shù)可得出原姿態(tài)時間序列的預測值。