转台低速性能分析与研究

论文摘要

高精度测试转台是一种用来对惯导系统和惯性仪表进行误差模型标定的设备。测试转台性能的优劣直接关系到测试试验的可靠性和精度,是提高航空、航天产品和武器系统的精度和性能的基础。随着航空、航天技术的迅猛发展,对导航和制导设备的性能和精度的要求不断提高,相应地需要精度更高测试转台。然而,转台低速性能的提高却受到以摩擦力矩为主的扰动力矩的影响,而摩擦力矩的减小又受到工艺水平及实验经费等条件的限制。因此,从控制方法上设计能克服摩擦影响的控制律,减弱或消除摩擦影响从而达到高精度控制,对研制结构简单且性能优良的转台具有重要的理论意义和实际应用价值。针对本课题,主要完成了以下工作:首先介绍了国内外转台低速性能的研究现状,着重分析了前人在转台低速性能影响方面的研究情况;针对摩擦补偿问题,介绍了常用的摩擦模型以及摩擦补偿研究方法。在转台基本结构的基础上,针对具体系统建立转台的数学模型;介绍了现在转台常用的PID控制方法,并分析了其中各参数对系统性能的影响。针对转台低速性能问题,深入分析了影响转台低速性能的主要因素,即测角系统误差、电机波动力矩和摩擦干扰力矩,研究了这些因素对系统低速性能的影响;分析了加速度反馈抑制外界干扰的原理,在此基础上设计了基于滤波器/观测器的加速度反馈控制律,特别针对小幅值低频正弦输入信号和低速斜坡信号进行了仿真分析和研究。理论和实验分析表明,系统跟踪误差是与给定信号同频率的谐波叠加的形式,在此基础上分析了前馈控制和自适应控制的特点,将两者进行有机结合为自适应前馈控制;分析了转台自适应前馈控制原理,设计出相关控制律,并通过仿真证明了方案的正确性。以某单轴转台的研制为契机,设计了测角系统和接口硬件电路。针对光栅使用过程中出现的偏心和斜角误差进行了分析,实验验证了误差补偿的正确性,提高了测角精度。设计实现了工控机控制软件的编写,完成了自适应前馈控制算法的编写和实验。实验结果表明该方法是可行有效的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外转台的研究现状
• 1.3 摩擦模型的发展现状
• 1.3.1 静态模型
• 1.3.2 动态模型
• 1.4 摩擦补偿的研究现状
• 1.4.1 基于非模型的摩擦补偿
• 1.4.2 基于模型的摩擦补偿
• 1.4.3 基于智能控制方法的摩擦补偿
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 转台低速性能分析
• 2.1 引言
• 2.2 转台系统模型
• 2.2.1 电机模型
• 2.2.2 转台整体模型
• 2.3 转台传统控制方法
• 2.3.1 PID调节器的数学描述
• 2.3.2 转台PID控制
• 2.4 影响转台低速性能的因素
• 2.4.1 测角误差
• 2.4.2 电机波动力矩
• 2.4.3 摩擦力矩
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于滤波器/观测器的加速度反馈控制
• 3.1 引言
• 3.2 加速度反馈原理
• 3.3 加速度反馈稳定性分析
• 3.4 基于滤波器/观测器的加速度反馈控制律设计
• 3.4.1 加速度获取所面临的困难
• 3.4.2 加速度观测器原理
• 3.5 仿真研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于自适应前馈的低速跟踪控制
• 4.1 引言
• 4.2 自适应前馈控制原理
• 4.2.1 前馈控制原理
• 4.2.2 自适应前馈控制分析
• 4.3 自适应控制算法设计
• 4.4 仿真研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 转台控制系统硬件实现及软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 转台控制系统总体结构
• 5.3 转台测角单元的硬件实现
• 5.3.1 测角单元硬件实现
• 5.3.2 测角误差分析
• 5.4 转台数字控制接口的硬件实现
• 5.5 控制系统软件设计
• 5.5.1 软件的实时性
• 5.5.2 软件的分层架构
• 5.5.3 实时控制软件的实现
• 5.6 自适应前馈控制实验分析
• 5.6.1 自适应前馈控制算法软件编排
• 5.6.2 自适应前馈控制算法实验
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢