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动态目标仿真转台控制及摩擦补偿研究

郑耿峰  
【摘要】:空间TDICCD(时间延迟积分电荷耦合器件)相机动态目标发生器是相机地检设备中的一个重要组成部分。动态目标发生器用于产生匀速且考虑偏流影响的运动目标,以模拟相对空间飞行器的地面像移,检验相机的TDICCD像移匹配的能力。研制此装置对保证相机在轨实现高分辨力成像能力具有十分重要的意义。高精度转台是动态目标发生器的核心驱动装置,转台伺服控制系统精度的高低直接关系到整个装置的可靠性和测试水平。因此,设计高精度的转台伺服控制系统,具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文首先介绍了动态目标稳速转台伺服系统的结构,接着根据转台系统的结构及具体的性能指标进行系统建模,在此基础上,针对系统需要高的速度稳定精度,确定采用锁相稳速控制策略,设计和实现了基于硬件锁相环的稳速转台伺服控制系统。同时针对硬件锁相系统存在的不足,基于DSP高速的处理能力,提出了一种软件多模控制策略,并进行了控制系统的设计与实现。 速度稳定性能是稳速转台伺服系统的最为重要的指标,因而速度稳定特性测评方法是高精度转台伺服系统速度稳定性控制的重要内容。本文在对转台伺服系统常用速度精度测评方法进行分析的基础上,设计了位置差分法的新的实现方法,同时针对传统测评方法仅测量平均值、无法评价局部误差的不足,提出了两种用最大瞬时速度误差来衡量系统速度稳定特性的测评方法,并根据上述的速度测评方法对文中设计的控制系统进行了系统性能评价。 针对伺服系统在低速情况下出现爬行抖动的问题,有必要对高精度转台伺服控制系统的低速特性进行分析,由于非线性摩擦力矩是影响系统低速性能的主要因素,因此本文主要对转台系统的低速非线性摩擦影响进行了理论研究和仿真分析。首先对稳速转台摩擦力矩进行实验测量,为简化分析,提出了一种基于分段线性函数的摩擦模型,根据此摩擦模型对实验测量数据进行拟合得到实际的摩擦模型。接着以数学推导的方式对非线性摩擦力矩对伺服系统低速特性的影响进行理论分析。最后在之前建立的摩擦力矩模型的基础上,对转台非线性摩擦影响进行仿真研究。仿真结果表明,当速度低到一定值时,系统在非线性摩擦力矩的影响下将出现低速的“滞-滑”现象。 为进一步提高稳速转台伺服系统的精度,有必要减小非线性摩擦力矩对系统的影响,而摩擦力矩的减小受到工艺水平的限制,因此,从控制策略上研究能够减小或消除非线性摩擦影响的控制律从而提高系统的控制精度是适当且可行的方法。在上述实现后的转台控制系统的基础上,考虑到非线性摩擦模型及参数难以精确获得,提出了两种不基于模型的非线性摩擦补偿方法。 其一,基于多回路控制的摩擦补偿方法。首先,结合稳速转台伺服控制系统详细分析了基于多回路控制补偿的抗扰性能,阐述了基于速度内环控制和基于加速度反馈控制这两种摩擦补偿方法抑制扰动的基本原理。在此基础上,对基于速度内环控制和加速度反馈控制的摩擦补偿方法进行具体的设计,并通过仿真和实验进行分析研究。仿真和实验结果表明,基于多回路控制的摩擦补偿方法能有效抑制非线性干扰力矩对系统的影响。 其二,基于CMAC网络的摩擦补偿方法。鉴于CMAC网络具有实现简单、算法效率高的特点,本文将CMAC网络应用于转台系统的非线性摩擦补偿中。文中对该补偿方法的学习算法进行了详细的分析,同时利用李雅普诺夫理论证明了系统的稳定性。最后进行了仿真研究,仿真结果表明,基于CMAC网络的摩擦补偿方法能较好的补偿系统的摩擦影响,有效的提高系统的低速性能。


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