三轴转台控制系统设计

论文摘要

三轴转台是应用在半实物仿真系统中,模拟被测物体姿态变化的装置。本文中,我们研究的主要内容为三轴转台。本文以实际工程项目为背景,主要研究三轴转台的控制系统设计。随着武器系统精度的不断提高,对其测试装置的要求也越来越高。论文首先简要阐述了国内外三轴转台的研究现状,并简要总结了我国转台的发展方向、各类控制方法在该领域的应用情况以及转台控制系统存在的主要问题。根据系统的性能指标要求,给出了三轴转台的总体控制系统设计方案。区别于普通转台单电机驱动的方式,我们采用双电机驱动,不仅能够提供较大的转矩,同时也有利于解决偏心问题。但是,双电机驱动必然会带来两个电机的同步控制问题,论文采用了转矩调节器的主从控制方式,简易地实现了电机的同步控制。论文针对扰动力矩提出采用模型参考自适应控制策略对三轴转台进行控制系统设计。论文分别建立了三轴转台三个轴的动力学模型,然后根据系统性能指标要求,设定了参考模型,并最终搭建了完整的模型参考自适应系统仿真框图。同时对三阶模型跟踪二阶模型的效果进行了考察,结果表明与三阶模型跟踪三阶模型效果相差不大。模型参考自适应控制方法的系统仿真表明,在系统存在非线性特性和较强的负载干扰力矩时,该控制系统能够有效抑制外界干扰和参数摄动的影响,实现了良好的跟踪特性。论文建立了三个单轴控制系统数学模型,用经典的PID控制策略,以速度环和位置环双闭环的控制方式,对转台系统完成了超前滞后校正设计。针对转台要求频带宽度较高的现象,我们以外框为例采取了前馈控制加反馈控制的复合控制方式,结果表明前馈控制可以在保证稳定性不变的情况下,提高系统响应速度以及减小稳态误差。对经典的PID控制策略和模型参考自适应控制策略进行了比较,结果表明,PID可以在对精确的数学模型以及被控对象在微弱变化时的控制效果满足要求,而当控制对象有较大变化或者扰动较大时,其控制效果不良。与PID相比,模型参考自适应控制策略取得了更好的动态性能和稳态精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外转台发展状况
• 1.2.1 国外转台发展状况
• 1.2.2 国内转台发展状况
• 1.3 转台存在的主要技术问题
• 1.4 控制方法研究
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 三轴转台控制系统总体方案设计
• 2.1 转台的用途及主要技术指标
• 2.2 系统总体方案
• 2.3 转台的组成及工作原理
• 2.4 转台关键组成部分的选择
• 2.4.1 驱动元件的选择
• 2.4.2 驱动器的选择
• 2.4.3 测角元件的选择
• 2.4.4 工控机、D/A 及A/D 选择
• 2.4.5 逻辑控制
• 2.5 同轴串联双电机同步控制问题
• 2.6 本章小结
• 第3章 三轴转台控制系统的模型参考自适应控制
• 3.1 扰动力矩
• 3.2 模型参考自适应的简述
• 3.3 设计MRACS 的理论基础
• 3.3.1 正实函数
• 3.3.2 正定积分核
• 3.3.3 超稳定理论
• 3.3.4 设计步骤
• 3.4 基于状态方程的MRACS 设计
• 3.5 外框的MRACS 设计
• 3.6 中框的MRACS 设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 控制方法的分析
• 4.1 直流无刷力矩电机数学模型
• 4.2 控制系统单轴数学模型建立
• 4.3 转台控制系统PID 设计
• 4.3.1 外框系统设计
• 4.3.2 中框系统设计
• 4.3.3 内框系统设计
• 4.4 利用复合控制方法提高系统频带宽度
• 4.5 PID 与MRAC 方法的比较
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢