舰载光电控制系统分析与设计

论文摘要

光电平台系统近年来受到各国海军的普遍重视,由于光电传感器中的电视和红外摄像机是成像传感器,直观性好,加上高精度的伺服稳定平台,可以为舰艇防空系统提供精确的目标指示信息,这些数据也可送给其他指挥和控制系统,用于目标跟踪,而且适宜于观测和识别目标,它们可用于识别军用目标和民用目标,可监视武器交战的效果,特别是在短距离,由光电传感器提供的实时图像是维持舰艇指挥官和舰桥人员态势感知的一种重要手段。另外光电技术可用来记录事件的图像,可用作事件后的分析,加上注释还可作为证据。论文主要对某舰载光电跟踪仪的伺服控制系统进行了分析和设计,根据系统所要实现的主要功能和所要达到的性能指标,进行了原理分析和软硬件设计。采用了基于PC104总线工控机的数字控制系统。理论分析了双轴稳定平台对载体角运动的隔离原理,提出了稳定精度对伺服系统的性能要求,为伺服系统的设计提供了理论依据;根据系统的要求,设计了舰载光电平台伺服系统的硬件电路;通过实验与理论分析,确定了如何克服摩擦力矩的影响是本舰载系统提高稳定精度要解决的首要问题,并针对这一问题,提出了采用以编码器进行数字测速组成速度内环,而以陀螺测量平台相对惯性空间角速率组成速度外环,即稳定环的双环控制方法,并结合非线性加速度补偿技术,实现了预期指标要求的稳定精度;作为进一步提高控制效果的探讨。针对红外跟踪脱靶量相对伺服系统具有6帧延迟的问题,理论分析了延迟对跟踪系统性能的影响,并为此提出了采用自适应滤波器进行预测补偿的方法;理论上分析了算法的收敛性,并给出了算法的规格化形式;根据所采用的控制算法,利用C语言设计并实现了舰载光电平台稳定与跟踪伺服系统的软件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 国内外研究的现状和发展趋势
• 1.3 论文主要研究内容
• 第2章 伺服控制系统结构与硬件设计
• 2.1 伺服控制系统组成
• 2.2 系统的工作方式
• 2.3 控制系统硬件配置
• 2.3.1 伺服控制计算机与接口卡选择
• 2.3.2 方位（俯仰）电机驱动与控制电路
• 2.3.3 光电轴角编码器
• 2.3.4 速率陀螺
• 2.4 本章小结
• 第3章 视轴稳定对伺服系统的数学模型
• 3.1 两轴平台隔离载体角运动原理分析
• 3.1.1 系统中陀螺的配置
• 3.1.2 两轴平台隔离载体角运动原理
• 3.2 速率稳定环各环节的数学模型建立
• 3.2.1 力矩电机及平台负载传递函数
• 3.2.2 PWM信号产生与功率放大电路的传递函数
• 3.2.3 速率陀螺的传递函数
• 3.2.4 低通滤波器的传递函数
• 3.2.5 A/D转换器的传递函数
• 3.2.6 速率稳定环的数学模型
• 3.3 稳定精度对伺服系统性能的要求
• 3.3.1 平台力矩刚度与稳定精度的关系
• 3.3.2 伺服系统对载体角运动的隔离
• 3.4 本章小结
• 第4章 视轴稳定控制方法
• 4.1 单速率稳定环的视轴稳定方法
• 4.2 速度环、稳定环双环控制方法
• 4.2.1 双环控制方法的原理与实现
• 4.2.2 非线性加速度补偿对系统性能的改善
• 4.3 本章小结
• 第5章 可见光电视、红外跟踪控制方法
• 5.1 跟踪系统要解决的主要问题
• 5.2 脱靶量延迟对跟踪系统性能的影响
• 5.3 延迟的自适应预测补偿方法
• 5.4 自适应滤波器的结构与算法
• 5.5 本章小结
• 第6章 系统软件设计及实验结果
• 6.1 控制系统软件设计
• 6.1.1 主程序结构
• 6.1.2 串行通讯中断子程序
• 6.1.3 外部时钟中断子程序
• 6.2 视轴稳定控制方法仿真结果
• 6.3 视轴稳定实验及结果
• 6.3.1 单速率稳定环实验结果
• 6.3.2 双环稳定控制实验结果
• 6.3.3 带有非线性加速度补偿的稳定实验结果
• 6.4 电视、红外跟踪实验结果
• 6.4.1 电视跟踪实验结果
• 6.4.2 自适应预测的仿真与实验结果
• 6.4.3 跟踪方式下延迟补偿实验结果
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历