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《长春理工大学》 2018年
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高精稳瞄陀螺吊舱扰动信号滤波与抑制方法研究

辛瑞昊  
【摘要】:陀螺稳定吊舱是一种集光、机、电为一体的综合光电探测设备,具有跟踪精度高、实时性好、图像显示清晰和抗干扰能力强等优点,在军用和民用工程领域有着广泛的应用。视轴稳定精度作为衡量其性能的一项关键指标,视轴稳定精度越高,光电探测设备成像越清晰,信息获取越准确。然而吊舱在实际工作环境中,载体飞行姿态的变化、机械振动、气流扰动以及吊舱内部的摩擦力矩、线绕力矩、质量不平衡力矩等因素均会对成像的清晰度以及目标的定位精度和探测距离产生影响。因此,如何提高系统对这些内部、外部的非线性、不确定性扰动的抑制能力,是提高陀螺稳定吊舱视轴稳定精度的关键技术之一。本文从提高陀螺稳定吊舱的稳定精度和扰动抑制能力出发,以研制的两轴两框架陀螺稳定吊舱原理样机为研究对象,分别从陀螺稳定吊舱工作原理及组成、系统参数辨识与建模、光纤陀螺信号分析与滤波、扰动信号抑制与补偿等几个方面开展了深入研究。论文完成的主要工作和创新如下:1、首先介绍了陀螺稳定吊舱的总体结构、主要功能及软硬件组成,并在此基础上研究了陀螺稳定吊舱的四种工作模式。根据两轴陀螺稳定吊舱隔离载机角运动的原理,系统分析了影响视轴稳定精度的线性、非线性、不确定性因素及干扰,并按照扰动作用方式将其分为模型扰动,力矩、角速度干扰以及传感器噪声三类。并在此基础上,对陀螺稳定吊舱进行了机理建模、扰动传递特性分析、电流环特性分析,采用解析建模与系统辨识建模相结合的方式建立陀螺稳定吊舱的数学模型,为扰动抑制方法的研究奠定基础。2、针对光纤陀螺输出信号中噪声、漂移和野值等测量误差影响视轴精度的问题,开展了光纤陀螺滤波算法研究。在详细分析光纤陀螺工作原理基础上,采用Allan方差法对光纤陀螺零漂信号进行时域分析,根据光纤陀螺零漂信号与噪声的Allan方差与功率谱密度关系,对光纤陀螺的各项随机误差进行辨识和分离。再根据光纤陀螺信号中噪声的特点,分别研究了卡尔曼滤波、小波变换阈值滤波和跟踪微分预报滤波方法。综合考虑三种滤波算法的计算量、实时性和滤波效果,最终认为在陀螺稳定吊舱的信号处理中,基于预报方法的跟踪微分滤波更为适用。3、针对陀螺稳定吊舱响应速度快、稳定精度高的性能要求,深入开展了鲁棒分数阶控制策略研究。首先对分数阶微积分定义和性质进行了阐述,针对分数阶微积分具有无穷维的特点,研究了基于Oustaloup离散法及其改进算法的分数阶控制器的数值化实现方法,并在其基础上设计了分数阶控制器,研究了分数阶微积分阶次对系统性能的影响。针对传统的分数阶控制器参数求解过程复杂、计算量大的问题,提出了一种基于向量法的分数阶控制器参数整定方法,并证明了基于向量的鲁棒分数阶控制器参数的唯一性,简化了分数阶控制器参数求解的计算过程。采用所设计的分数阶控制器和整数阶控制器进行了仿真和实验研究。对比阶跃响应特性、正弦跟踪性能、扰动隔离能力和模型鲁棒性实验结果表明,采用分数阶控制器的系统具有响应速度快、超调小、隔离扰动能力强等优势。4、针对陀螺稳定吊舱抗干扰能力强的性能要求,深入开展了陀螺稳定吊舱扰动观测方法研究。从“主动抗扰”和“被动抗扰”对扰动抑制原理出发,分析了干扰观测器和自抗扰控制器的结构组成和抗扰性能,给出了其结构组成和控制律;针对高阶观测器易造成相位滞后,影响系统的稳定性的问题,提出了降阶自抗扰控制器设计方法;针对测量信号中含噪声问题,提出了基于跟踪微分滤波的自抗扰控制器设计方法。根据扰动观测原理,采用所设计的干扰观测器和自抗扰控制器进行了仿真和实验研究。对比阶跃响应特性、正弦跟踪性能、扰动隔离能力和模型鲁棒性实验结果表明,采用扰动观测的系统对外部、内部的扰动具有更强的抑制能力。5、针对陀螺稳定吊舱高精度、强鲁棒性的控制要求,创新性的提出了一种分数阶扰动观测控制方法。该方法吸收了分数阶控制律响应速度快、稳定精度高的优点,可以满足陀螺稳定吊舱高精度稳定控制要求;并吸收了扰动观测器抗干扰能力强的优点,可以有效地克服外界扰动和系统不确定因素对系统工作性能的影响。根据分数阶扰动观测原理,创新性的提出一种分数阶自抗扰控制器,该控制器由三个部分组成:安排过渡过程的分数阶跟踪微分器;提取系统分数阶状态信息和总扰动信息的分数阶扩张状态观测器;根据误差信息产生控制量的分数阶控制器。并针对高阶观测器相位滞后和测量噪声问题,提出了降阶分数阶扩张状态观测器和分数阶跟踪微分预报滤波扩张状态观测器设计方法。最后,通过仿真分析和实验验证了上述方法应用于吊舱系统中可以有效地提高系统的动态性能和扰动抑制能力。
【学位授予单位】:长春理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:V24;TJ5

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【参考文献】
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