精密海陆光电跟踪控制系统研究

论文摘要

光电稳定伺服控制系统是跟踪、侦察、定位、导航等应用领域的关键组成部分,为保证载体晃动条件下跟踪设备的空间相对稳定和视轴精确指向跟踪目标,本文针对陀螺稳定伺服控制系统,对稳定平台结构、稳定控制理论进行了深入的研究和验证。首先对国内外光电稳定平台的结构和视轴稳定方法以及光电平台的发展进行了概述,介绍了常用的稳定控制方法;进而从理论上分析了两轴双环光电稳定平台隔离载体角运动的原理,总结并提出了视轴稳定对伺服系统的性能要求,从而为伺服系统的设计提供总体思想。针对光电平台载体晃动、伺服电机非线性和平台摩擦、机械谐振等干扰因素,设计了速度内环和位置外环的双环控制系统。速度内环的设计从减少上述干扰提高响应速度出发,满足控制精度和响应速度的要求。为满足系统对精度和隔离度提出的更高要求,形成了双速度环的结构,即将屏蔽载体晃动和屏蔽其它干扰因素分开设计,速率陀螺作为反馈元件形成了稳定速度环,直流测速电机作为反馈元件形成常规速度环,其理论和实际的控制性能优于单速度环控制系统。位置外环采用基于滞环特性切换条件的自适应模糊控制系统和复合PID控制系统,模糊控制规则和参数在线自适应调整,并设计滞环特性的区间切换方法,满足对响应速度和鲁棒性的要求。最后通过DSP取代以前的工控机或单片机,实现上述功能。实验和仿真结果验证控制系统的设计能够满足性能指标的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 光电稳定跟踪平台的发展概况
• 1.2.1 稳定平台机理分析策略研究现状
• 1.2.2 稳定平台控制策略研究现状
• 1.2.3 国内外稳定平台研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 光电稳定跟踪控制系统的组成
• 2.1 光电跟踪测量系统的总体结构
• 2.2 跟踪架机械结构的设计
• 2.3 两轴稳定平台的稳定原理
• 2.4 速率陀螺的原理与选择
• 2.4.1 速率陀螺的原理及选型
• 2.4.2 微机械陀螺的性能指标
• 2.5 伺服电机的选择
• 第三章 伺服控制系统的设计与实现
• 3.1 控制方案的总体设计
• 3.2 直流伺服电机及转台模型的确定
• 3.3 速度内环的设计与实现
• 3.3.1 补偿算法的设计与实现
• 3.3.2 速度内环控制电路的设计与实现
• 3.3.3 单杆预处理电路的设计与实现
• 3.3.4 陀螺信号预处理电路的设计与实现
• 3.3.5 功率驱动电路的设计与实现
• 3.4 位置外环数字PID控制器设计
• 3.4.1 数字PID控制器原理
• 3.4.2 PID控制算法的改进
• 3.4.3 速度和加速度前馈补偿算法
• 3.4.4 船姿和航向补偿稳定算法
• 3.4.5 PID控制软件设计
• 第四章 速度内环与位置外环的改进
• 4.1 速度内环对扰动的隔离度分析
• 4.2 速度内环的缺陷分析
• 4.3 双速度环稳定系统的设计
• 4.3.1 双速度环稳定系统的原理
• 4.3.2 双速度环控制系统仿真结果
• 4.4 基于自适应模糊控制的位置外环的设计
• 4.4.1 模糊控制器的设计
• 4.4.2 参数自调整设计
• 4.4.3 控制规则自学习
• 4.5 整体控制系统的DSP实现
• 4.5.1 主控器件的选择
• 4.5.2 DSP控制系统硬件组成
• 4.5.3 DSP控制系统软件设计
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢
• 附录