陀螺稳定平台伺服控制系统研究

论文摘要

陀螺稳定平台能够隔离载体扰动,保持平台上探测设备的视轴在惯性空间的稳定,从而保证探测设备对目标的精确跟踪,在现代武器系统中得到了广泛的应用。本文针对项目需求,研究了陀螺稳定平台工作原理,建立了数学模型,对影响系统精度的摩擦力矩和陀螺噪声这两大主要因素进行了深入研究,并分析和研究了解决这两大问题的方法。首先,在了解了陀螺平台系统工作原理的基础上,建立了系统的各组成部分模型,并根据载体扰动传递机制完善了模型。其中,非线性摩擦对系统精度的影响很大,所以,本文建立了适用于仿真分析的摩擦模型,这对分析扰动对系统精度的影响情况以及研究控制器控制效果奠定了基础。其次,测量元件陀螺的噪声是影响系统精度的另一个重要因素。本文用IEEE公认的陀螺参数分析的标准方法——Allan方差法分析了陀螺信号噪声;研究了三种滤波方法——数字低通滤波、小波变换阈值滤波、自适应滤波,并将这三种方法直接用于处理陀螺信号;仿真分析比较了滤波效果。此外,分析了滤波前后陀螺信号的幅度谱,利用Allan方差法并通过最小二乘拟合得到了滤波前后陀螺信号中各误差源的幅度,从不同的角度进一步证实了:三种方法中,自适应滤波效果最佳。最后,设计了平台伺服系统控制器,主要研究了传统的超前滞后控制和滑模变结构控制。并对这两种控制器的控制效果进行了系统稳定仿真实验分析,结果表明变结构控制效果远远优于超前滞后控制。此外,进行了系统位置跟踪的仿真实验,结果表明变结构控制下系统可以较精确地跟踪一般的低频运动目标,满足一定的跟踪精度要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、来源及意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 陀螺稳定平台的发展
• 1.2.2 影响平台稳定的因素分析
• 1.2.3 陀螺稳定回路控制方法的研究
• 1.2.4 光纤陀螺的原理与优点
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 单轴陀螺稳定平台各组成部分模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 系统各组成部分模型
• 2.2.1 电机及负载平台模型
• 2.2.2 PWM功率放大电路传递函数
• 2.2.3 速率陀螺的传递函数
• 2.2.4 陀螺信号处理环节模型
• 2.2.5 速度环位置环控制器
• 2.3 非线性摩擦模型的建立
• 2.3.1 摩擦特性及摩擦模型的研究
• 2.3.2 摩擦的特性测量及模型建立
• 2.3.3 摩擦补偿方法研究
• 2.4 稳定精度对伺服系统性能的要求
• 2.4.1 平台力矩刚度与稳定精度的关系
• 2.4.2 伺服系统对载体角运动的隔离
• 2.4.3 未校正系统频率特性分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 光纤陀螺信号噪声分析及滤波方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 陀螺信号噪声分析
• 3.2.1 陀螺信号的数学模型
• 3.2.2 陀螺信号噪声的Allan方差时域分析
• 3.3 光纤陀螺噪声滤除方法研究
• 3.3.1 数字低通滤波
• 3.3.2 小波变换阈值滤波
• 3.3.3 自适应滤波
• 3.4 光纤陀螺噪声滤除方法比较分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 稳定平台系统控制器的设计及仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 超前滞后控制器的设计
• 4.3 传统方法存在的问题
• 4.4 滑模变结构控制器的设计
• 4.4.1 滑模变结构控制设计要求及步骤
• 4.4.2 系统状态空间数学模型求取
• 4.4.3 切换函数的设计
• 4.4.4 滑模变结构控制律的求取
• 4.5 仿真实验分析
• 4.5.1 不同控制器稳定控制效果仿真实验比较
• 4.5.2 位置跟踪仿真实验
• 4.6 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