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光电稳定伺服机构的关键测控问题研究

张智永  
【摘要】: 随着现代高技术装备的飞速发展,光电武器装备在侦察、监视、定位、导航和通信等场合的作用越来越重要。光电稳定跟踪系统是该类装备的重要组成部分,且稳定跟踪精度的要求越来越高。本文围绕着如何提高光电稳定跟踪系统的稳定跟踪精度这个重要问题,对三框架光电稳定伺服机构中的运动学、动力学、微机电陀螺信号处理、伺服回路快速设计、摩擦补偿和速度估计等问题进行了较为深入的分析和研究。 论文的研究工作包含以下几个部分: 1.分析了常用三框架光电稳定跟踪平台对基座扰动的隔离原理,推导了该类机构的角速度和角加速度方程,由此从理论上分析了直接稳定和捷联稳定的工作原理,说明了载体和视轴运动所引起的图像特性变化。从运动学的角度进行了光电稳定跟踪机构的精度分析,给出了陀螺安装精度和控制精度对整体稳定精度的定量影响关系。 2.应用牛顿力学原理分析了光电稳定跟踪机构的惯量耦合关系和动力学模型,推导了平台单轴伺服回路的控制方程,比较了直接稳定和捷联稳定方案在测量噪声和外部扰动共同作用下的性能特点,仿真结果表明,在同等噪声和扰动条件下,捷联稳定面临更多的误差源,因而最终的稳定精度较难达到直接稳定系统的水平。 3.分析了基于哥氏振动原理的微机电陀螺的基本工作原理和误差模型,建立了微机电陀螺随机噪声的时间序列模型。研究表明,速率陀螺噪声不仅会在电机输出轴产生相同数量级的速率抖动,还会导致平台的角度漂移。针对普通数字滤波方法在光电稳定回路中应用的局限性,运用基于二阶自回归模型的Kalman滤波方法和小波阈值决策滤波方法,进行了陀螺噪声信号的去噪处理,研究结果表明,相对普通数字滤波方式而言,Kalman滤波具有相对较小的时间滞后,同时实时性较好,但滤波效果比小波阈值决策滤波稍差。 4.总结了光电稳定系统速率稳定和位置跟踪回路设计时的基本问题,提出了速率陀螺作为反馈元件的速率回路和以普通角位置传感器作为反馈元件的位置回路具有“低频位置跟踪、高频速率隔离”的频率特性,并通过理论和半实物仿真实验进行了验证。以dSPACE半实物仿真系统为工具,提出并实现了光电稳定回路控制系统的快速设计方法。 5.通过理论和半实物仿真实验,揭示了摩擦力矩对光电稳定跟踪机构动态性能的影响,指出摩擦“死区”会导致速率稳定的“尖峰”误差,而经典控制器设计方法不能从根本上抑制此误差。提出了利用三次谐波对具有“死区”非线性环节的直流伺服系统进行辨识的方法。为了进一步提高光电稳定精度,论文使用自适应滑模变结构控制器进行摩擦补偿,仿真结果表明,该方法有效减少了由于摩擦非线性造成的“尖峰”误差。针对摩擦补偿中速度观测的问题,提出了一种组合角加速度估计器,并进行了实验验证。 6.介绍了某机载光电稳定伺服机构的硬件组成,进行了控制器设计和试验,进一步验证了论文有关理论和方法的有效性。


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