慣性穩(wěn)定平臺(tái)的建模分析與高精度控制.pdf

1、慣性穩(wěn)定平臺(tái)(Inertially Stabilized Plafform，ISP)又稱作陀螺穩(wěn)定平臺(tái)(Gyroscope Stabilized Platfor，GSP)，是飛行器、艦船和車輛等進(jìn)行慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)和測量的核心設(shè)備。它能夠有效隔離載體擾動(dòng)并保持平臺(tái)穩(wěn)定，使搭載的光學(xué)儀器的視軸(Line Of Sight, LOS)保持相對(duì)慣性空間的指向，或根據(jù)指令對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行瞄準(zhǔn)和跟蹤。作為現(xiàn)代軍用戰(zhàn)機(jī)中的關(guān)鍵設(shè)備，高精度、超遠(yuǎn)距離目標(biāo)

2、識(shí)別及實(shí)時(shí)成像的穩(wěn)定平臺(tái)的研制，已成為世界各國軍備競賽的一個(gè)關(guān)鍵突破點(diǎn)。在硬件設(shè)施已定的情況下，如何從控制策略上提升穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)機(jī)體擾動(dòng)的隔離性能，從而進(jìn)一步提高穩(wěn)定精度，是本課題研究的切入點(diǎn)。
　　在慣性穩(wěn)定平臺(tái)的伺服系統(tǒng)中，以陀螺儀為核心裝置的速度穩(wěn)定環(huán)是整個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)隔離機(jī)體擾動(dòng)的關(guān)鍵部分。工程應(yīng)用中，由于設(shè)計(jì)成熟和實(shí)用性強(qiáng)，速度穩(wěn)定環(huán)中的控制器通常采用PID、超前滯后等線性控制器。這類控制器雖然有不錯(cuò)的精度，卻很難進(jìn)一步地提升

3、性能。究其原因主要有兩點(diǎn):(1)穩(wěn)定平臺(tái)通常工作在低頻低速環(huán)境下，線性控制器對(duì)非線性摩擦力的抑制有限，使摩擦力成為控制誤差中的主導(dǎo)因素;(2)傳統(tǒng)控制器在設(shè)計(jì)時(shí)通常依賴被控對(duì)象在頻域中辨識(shí)得到的線性模型，沒有考慮未建模部分和系統(tǒng)參數(shù)變化造成的影響?；谝陨蟽牲c(diǎn)原因，以原有控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥朔€(wěn)定平臺(tái)的主要誤差，進(jìn)一步提升速度穩(wěn)定環(huán)的隔離度性能，是本課題的研究內(nèi)容。
　　本課題是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與中國科學(xué)院長春光學(xué)

4、精密機(jī)械與物理研究所超精密控制與系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的合作項(xiàng)目(NO.KD1012210167)。研究對(duì)象是具有微弧度量級(jí)的軍用兩軸四框架機(jī)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)。研究目的是提升穩(wěn)定平臺(tái)中速度穩(wěn)定環(huán)的隔離度性能，以此為中心進(jìn)行建模分析和控制器設(shè)計(jì)等相關(guān)研究工作。本論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾點(diǎn):
　　(1)建立穩(wěn)定平臺(tái)中速度穩(wěn)定環(huán)的高精度模型，為后面控制策略的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。首先通過平臺(tái)中直流力矩電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程，建立速度穩(wěn)定環(huán)的機(jī)理線性模型，并

5、利用電流環(huán)的特性進(jìn)行簡化。通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性模型辨識(shí)，觀察平臺(tái)在低頻低速工作環(huán)境下受到的非線性摩擦力的特征?；赟tribeck摩擦模型，針對(duì)平臺(tái)特點(diǎn)提出兩種改進(jìn)的精細(xì)化的摩擦模型，用來描述不同型號(hào)穩(wěn)定平臺(tái)中的非線性摩擦力矩。將機(jī)理推導(dǎo)的線性模型與改進(jìn)的Stribeck摩擦模型相結(jié)合，得到速度穩(wěn)定環(huán)的綜合非線性模型。針對(duì)該模型的非線性和多參數(shù)特征，采用具有全局尋優(yōu)能力的遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)進(jìn)行參數(shù)辨

6、識(shí)。對(duì)辨識(shí)所得的模型在均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)和隔離度兩方面性能上進(jìn)行分析和驗(yàn)證，確定模型的高精度和適用性。并建立速度穩(wěn)定環(huán)在MATLAB中Simulink環(huán)境下的仿真系統(tǒng)。
　　(2)基于辨識(shí)得到的模型，設(shè)計(jì)、優(yōu)化非線性摩擦力的前饋補(bǔ)償策略，應(yīng)用到實(shí)際的慣性穩(wěn)定平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)速度穩(wěn)定環(huán)的高精度控制。根據(jù)非線性摩擦力模型部分，設(shè)計(jì)相應(yīng)的前饋補(bǔ)償策略，并在仿真平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)。針對(duì)工程應(yīng)用中的某

7、些具體因素，對(duì)前饋補(bǔ)償量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。然后將前饋補(bǔ)償策略在調(diào)試平臺(tái)的擾動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該策略的有效性。最后將補(bǔ)償策略應(yīng)用到平臺(tái)實(shí)際工作的擾動(dòng)隔離系統(tǒng)中，通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能對(duì)比分析。
　　(3)在摩擦力前饋補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，建立兩種直觀的模型參考自適應(yīng)控制(Model Reference Adaptive Control，MRAC)。第一種MRAC是基于連續(xù)時(shí)間域的狀態(tài)空間方程，第二種MRAC是基于離散時(shí)間域的梯度下降法

8、。在載體擾動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)兩種MRAC的有效性和對(duì)非線性摩擦力干擾的抵抗能力。由于在平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用中載體擾動(dòng)信號(hào)不可測，因此根據(jù)穩(wěn)定平臺(tái)中多框架的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程推導(dǎo)載體擾動(dòng)觀測器。最后將兩種MRAC應(yīng)用在穩(wěn)定平臺(tái)的擾動(dòng)隔離系統(tǒng)中，進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)和性能分析。
　　(4)基于離散時(shí)間域重新考慮直接型MRAC在速度穩(wěn)定環(huán)中的設(shè)計(jì)問題，使控制算法具備規(guī)范型。通過模型匹配和條件假設(shè)來確定可調(diào)控制器的存在性和唯一性，并根據(jù)匹配方程推導(dǎo)控制律

9、和參數(shù)估計(jì)觀測方程，得到控制器和自適應(yīng)律相對(duì)獨(dú)立設(shè)計(jì)的MRAC規(guī)范型結(jié)構(gòu)。選擇改進(jìn)投影算法和漸消記憶遞推最小二乘法設(shè)計(jì)自適應(yīng)律，并在擾動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證這兩種MRAC的性能。利用控制結(jié)構(gòu)圖分析MRAC的穩(wěn)定性和收斂性條件。將這兩種控制器應(yīng)用在平臺(tái)實(shí)際工作的擾動(dòng)隔離系統(tǒng)中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和性能分析。最后對(duì)本論文中的四種MRAC從原理、結(jié)構(gòu)、仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)性能等方面進(jìn)行綜合比較。
　　本論文對(duì)機(jī)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)的研究方法、實(shí)驗(yàn)