高精度转台速率平稳性问题研究

论文摘要

高精度测试转台是惯导系统和惯性仪表测试和标定的主要设备,其性能的优劣直接关联到惯导系统和惯性仪表的精度和可靠性。转台的速率特性（包括速率精度和速率平稳性）是衡量转台性能的重要指标,然而其速率平稳性的提高受到电磁力矩波动、摩擦、中断信号等因素的影响。因此,从控制的角度出发,克服这些因素的影响从而达到提高转台性能的目的具有很重要的理论意义和工程价值。本文首先介绍了国内外转台发展现状,着重分析了关于影响转台速率平稳性两个主要因素,即电磁力矩波动和摩擦,并研究了关于电磁力矩波动抑制和摩擦补偿的许多方法。针对电磁力矩波动,深入分析了其成因及对转台速率平稳性的影响。基于内模原理能有效抑制周期性扰动的特点,采用了改进型离散重复控制的抑制方法,与转台PID控制组成复合控制。结合控制系统极点分布理论,给出了重复控制增益最优值选取方法,提升系统性能。针对摩擦扰动,在深入分析其机理的基础上,基于库伦和LuGre两种摩擦模型,分别采用了模型参考自适应和自校正两种摩擦补偿方案。加入摩擦补偿的转台控制系统能在线辨识摩擦模型参数来进行实时补偿,并由李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的稳定性。由转台控制系统的实时性要求可知,RTX中断的精确程度会对转台的速率特性产生影响。首先从中断信号的偏差和波动两个角度展开研究,在理论上推导论证了中断信号的偏差和波动对转台速率性能的影响程度,并通过实际系统的数据进行了定量分析。最后以实验室现有转台为研究对象,从工程角度出发,针对电磁力矩波动和摩擦扰动这两个因素,分别采用了巴特沃斯数字陷波滤波器和高频震颤的设计方案来提高转台的性能,并基于Windows+RTX平台来完成控制软件的实现和实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外转台的发展概况
• 1.2.1 国外转台的发展概况
• 1.2.2 国内转台的发展概况
• 1.2.3 转台研究的发展趋势
• 1.3 转台速率平稳性问题概述
• 1.3.1 电磁力矩波动抑制的研究现状
• 1.3.2 摩擦补偿的研究现状
• 1.4 基于RTX平台的软件系统
• 1.5 论文主要研究内容及章节安排
• 第2章 转台系统速率性能机理分析
• 2.1 引言
• 2.2 转台系统速率特性评价方法
• 2.2.1 转台系统速率精度评估方法
• 2.2.2 转台系统速率平稳性评估方法
• 2.2.3 转台系统低速特性评估方法
• 2.3 电磁力矩波动分析
• 2.3.1 电磁力矩波动机理分析
• 2.3.2 电磁力矩波动对转台系统影响分析
• 2.4 摩擦分析
• 2.4.1 摩擦机理分析
• 2.4.2 摩擦力矩对转台系统影响分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 转台系统电磁力矩波动抑制方法分析
• 3.1 引言
• 3.2 转台系统的数学模型
• 3.2.1 转台控制系统基本结构
• 3.2.2 被控对象数学模型
• 3.3 重复控制器的设计
• 3.3.1 重复控制的基本思想
• 3.3.2 原型离散重复控制器的设计
• 3.3.3 改进型离散重复控制器的设计
• 3.3.4 重复控制增益设计
• 3.3.5 重复控制系统性能分析
• 3.4 仿真研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 转台系统摩擦力矩补偿方法分析
• 4.1 引言
• 4.2 自适应控制的基本思想
• 4.3 基于库伦模型的自适应补偿
• 4.3.1 库伦模型介绍
• 4.3.2 自适应补偿器的设计
• 4.4 基于LuGre模型的自适应补偿
• 4.4.1 LuGre模型介绍
• 4.4.2 自适应补偿器的设计
• 4.5 仿真研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 RTX中断对速率特性影响分析
• 5.1 引言
• 5.2 中断信号偏差对速率精度影响分析
• 5.3 中断信号波动对速率平稳性影响分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 转台控制系统的设计与性能测试
• 6.1 转台控制软件设计
• 6.2 数字陷波滤波器的设计及实验结果
• 6.3 高频震颤法的调试及实现
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢