串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量和控制技術(shù)研究.pdf

1、艦船在海面上航行時(shí),會(huì)受到海浪、海風(fēng)、洋流等各種海洋擾動(dòng)的作用,從而引起載體產(chǎn)生搖擺、振動(dòng),導(dǎo)致載體上的光學(xué)精密儀器、武器瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、艦載雷達(dá)和通訊系統(tǒng)由于載體的姿態(tài)擾動(dòng)無(wú)法正常工作使用。隨著我國(guó)海軍軍事力量的現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展,水面武器裝備的研究越來(lái)越重要。因此,水面武器裝備急需解決的一個(gè)問(wèn)題就是如何克服載體的搖擺、風(fēng)阻力矩及振動(dòng)等干擾影響。穩(wěn)定平臺(tái)是指能夠使被穩(wěn)定對(duì)象在外部干擾作用下相對(duì)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(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。本文設(shè)計(jì)了一種用于艦船的串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái),并以此為研究對(duì)象,進(jìn)行了深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)由上下兩層組成,下臺(tái)體為并聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái),用來(lái)克服載體的姿態(tài)擾動(dòng);上臺(tái)體為串聯(lián)式跟蹤平臺(tái),用來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。論文在研制一套新型串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)的基礎(chǔ)上,主要對(duì)并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行研究,以下簡(jiǎn)稱為穩(wěn)定平臺(tái),并針對(duì)串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)組成、影響穩(wěn)定精度的誤差源、姿態(tài)測(cè)量和系統(tǒng)建模、控制策略和載體姿態(tài)擾動(dòng)預(yù)測(cè)等關(guān)

3、鍵技術(shù)進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　1.首先設(shè)計(jì)研制了一套串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng),既可以克服由于載體姿態(tài)擾動(dòng)帶來(lái)的干擾影響,又可以使跟蹤設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的目標(biāo)跟蹤。串并聯(lián)式智能穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)下臺(tái)體部分為一級(jí)并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái),該平臺(tái)由交流永磁伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),通過(guò)姿態(tài)測(cè)量傳感器硅微陀螺進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰和橫滾角信息,反饋給高速DSP運(yùn)動(dòng)控制模塊控制伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)并構(gòu)成閉合回路,實(shí)時(shí)克服載體姿態(tài)擾動(dòng);串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)上臺(tái)體為二

4、級(jí)串聯(lián)跟蹤平臺(tái),跟蹤平臺(tái)利用操瞄系統(tǒng)和傾角儀來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)的位置和跟蹤平臺(tái)的姿態(tài)信息,采用高速DSP運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)上臺(tái)體的回轉(zhuǎn)和俯仰跟蹤,從而達(dá)到跟蹤平臺(tái)的實(shí)時(shí)跟蹤功能。詳細(xì)描述了串并聯(lián)智能穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和總體方案,并對(duì)串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的工作原理和一級(jí)并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的主要誤差源進(jìn)行了分析。
　　2.串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)是一種要求精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的機(jī)電一體化設(shè)備,在對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析和動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

5、。在穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)中,硅微陀螺儀和傾角儀分別被用來(lái)測(cè)量反饋串并聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)下臺(tái)體和上臺(tái)體的姿態(tài)信息。針對(duì)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(bǔ)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(luò)的誤差多步補(bǔ)償方法。針對(duì)陀螺儀輸出信號(hào)漂移,文中在前人研究基礎(chǔ)上,對(duì)機(jī)動(dòng)跟蹤領(lǐng)域的Singer模型進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化并對(duì)陀螺信號(hào)進(jìn)行直接建模,并對(duì)常規(guī)卡爾曼濾波方法進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)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(hào)消噪的處理方法,研究結(jié)果表明該方法對(duì)陀螺儀的信號(hào)消噪處理可以獲得較為理想的效果。
　　3.為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)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(jié)構(gòu)。在速度穩(wěn)定環(huán)中引入了干擾觀測(cè)器和灰色預(yù)測(cè)控制器,將干擾觀測(cè)器和灰色預(yù)測(cè)控制器兩種控制器結(jié)合應(yīng)用到穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)中。前人研究表明經(jīng)典干擾觀測(cè)器可較好地抑制速度環(huán)中低頻擾動(dòng)影響,但對(duì)高頻測(cè)量噪聲及模型攝動(dòng)的抑制效果不是很理想。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,引入了一

7、種改進(jìn)型干擾觀測(cè)器,并針對(duì)常規(guī)整數(shù)階的干擾觀測(cè)器進(jìn)行了分?jǐn)?shù)階研究,將整數(shù)階低通濾波器替換為分?jǐn)?shù)階濾波器,提出了一種基于灰色預(yù)測(cè)控制和分?jǐn)?shù)階改進(jìn)干擾觀測(cè)器的干擾抑制方法,并對(duì)灰色預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)步長(zhǎng)和預(yù)測(cè)誤差建立了參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊,數(shù)值仿真結(jié)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(cè)量噪聲干擾,而且提高了系統(tǒng)的響應(yīng)能力。
　　4.在穩(wěn)定平臺(tái)位置跟蹤環(huán)中,針對(duì)串并聯(lián)式智能穩(wěn)定平臺(tái)位置跟蹤回路的時(shí)滯特性分析和載體的姿態(tài)擾動(dòng)影響,

8、提出了一種基于自適應(yīng)灰色預(yù)測(cè)控制的復(fù)合控制方法(CAGPC)。通過(guò)在反饋通道中引入了灰色預(yù)測(cè)控制器,來(lái)解決系統(tǒng)時(shí)滯環(huán)節(jié)的影響,針對(duì)常規(guī)固定步長(zhǎng)灰色預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)模型存在預(yù)測(cè)誤差的弊端,提出了一種同時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)測(cè)步長(zhǎng)和綜合誤差權(quán)值的自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊,依據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際誤差和預(yù)測(cè)誤差,同時(shí)調(diào)節(jié)灰色預(yù)測(cè)步長(zhǎng)和預(yù)測(cè)誤差的權(quán)值,來(lái)提高預(yù)測(cè)模型的適應(yīng)性與系統(tǒng)的控制精度;其次針對(duì)外界干擾引入前饋補(bǔ)償控制器對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行抑制來(lái)改善穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的干擾抑制。最后通過(guò)數(shù)

9、值仿真和穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,基于自適應(yīng)灰色預(yù)測(cè)控制的復(fù)合控制方法提高了穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的響應(yīng)和干擾抑制能力。
　　5.為了對(duì)載體姿態(tài)擾動(dòng)進(jìn)行提前預(yù)測(cè),在前饋通道中實(shí)現(xiàn)超前控制,在艦船載體姿態(tài)擾動(dòng)序列進(jìn)行混沌特性判定的基礎(chǔ)上,提出了一種基于灰色-混沌預(yù)測(cè)的載體姿態(tài)擾動(dòng)預(yù)測(cè)方法,利用改進(jìn)優(yōu)化的GM(1.1)灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)重構(gòu)相空間中的重構(gòu)相點(diǎn)L1范數(shù)演變規(guī)律進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)L1范數(shù)預(yù)測(cè)后通過(guò)反解L1范數(shù)可得出原姿態(tài)時(shí)間序列的預(yù)測(cè)值。