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基于解耦和滑模的三轴转台控制方法研究

栾若轩  
【摘要】:三轴转台是测试惯性导航器件的专用测试设备,其精度直接决定了惯性导航器件的精度,从而直接影响了各类航天器的性能,对于国家航空航天事业的发展具有极其重要的意义。航空航天技术飞速发展,相应的飞行器和装备设备也有了更高的性能要求,因此对惯性导航器件的精度有了更高的要求。作为惯性导航器件测试设备的三轴转台,其精度要求高于被测器件,因此也面临着朝高精度、大加速度方向发展的挑战。 在三轴转台进行多轴运动时,各轴系之间会产生科里奥利力和离心力,并通过作用力矩和反作用力矩相互影响,使得三轴转台成为具有强耦合性的系统,而这种耦合会极大增加控制难度,并影响转台的性能和精度。针对三轴转台强耦合的问题,本文运用动力学有关知识建立了三轴转台的数学模型,求得三轴转台的微分方程。设计了基于反馈线性化的解耦控制律,将三轴转台的三个轴分解为相互独立的三个单输入单输出的系统,并利用Simulink搭建系统模型进行仿真,从仿真的结果可以看出,本文所设计的非线性解耦控制具有较好的效果。 针对三轴转台运行过程中的非周期性扰动问题,本文设计了一种基于时变滑模的控制算法,以时变滑模面代替传统滑模面,使得系统状态始终在滑模面上运动,解决了传统滑模控制在到达阶段时鲁棒性较差的问题。在该控制算法中引入积分项,可以有效削弱抖振,使得稳态误差减小;并将时变滑模面分段,加快了系统的响应速度;最后,在三轴转台实验平台上进行实验验证,将积分时变滑模控制与PID以及普通滑模控制的实验结果进行对比。实验结果表明,本文所采用的积分时变滑模控制算法能够更快跟踪给定信号,且具有较强的鲁棒性。 针对三轴转台运行过程中的周期性扰动问题,同时考虑到系统中存在参数不确定和时变的特点,引入了参数自适应;然后对本文所设计的参数自适应迭代学习控制律进行收敛性分析;并在三轴角转台实验平台上进行实验验证。实验结果表明,本文设计的参数自适应迭代学习控制律,与传统参数固定PD型迭代学习控制律相比,使得三轴转台的跟踪性能有了明显的提升。


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