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- 航空光电平台的惯性稳定控制技术研究
- 作者： 鲍文亮 来源： 哈尔滨工业大学 年份： 2016 文献类型 ： 学位论文 关键词： 光电平台 惯性稳定 动力学建模 μ综合控制 自适应控制
- 描述： 随着信息化装备的发展，航空光电平台作为侦察和测量的重要技术手段，在军事和商业领域得到了广泛的应用。由于在机载环境下工作，为了能够实时准确地获得目标或目标区域稳定清晰的图像信息，光电平台设备通常都采用惯性稳定技术来保证视轴的惯性空间指向。日益提升的视轴稳定精度需求对惯性稳定技术提出了许多新的研究挑战。本文以两轴四环架结构光电平台为主要研究对象，以惯性稳定控制问题为核心，以理论和实验为基础，依次从系统建模与分析、惯性稳定控制方法及半实物实时仿真系统的设计与实现三个方面展开研究。 两轴四环架结构光电平台能够对天底及其附近区域的目标进行侦察和测量，有效扩大了目标的跟踪范围。但是这种结构形式内、外环架间有机械连接，各环架之间的动力学耦合关系变得复杂。为描述系统的动力学行为，根据运动学关系及坐标变换建立了平台的运动学方程，进而以刚体转动的动量矩定理和欧拉动力学方程为基础建立了关于平台各环架转轴的力矩平衡方程。从控制角度详细分析了系统的运动学耦合、转动惯量耦合及惯性力矩耦合等动力学特性。给出了系统的结构框图。 分析指出平台的搜索扫描工作模式及目标自动跟踪工作模式对控制系统设计的不同要求。针对搜索扫描工作模式提出了将内环架稳定系统和外环架伺服系统视为整体的多变量控制结构。在两轴四环架结构光电平台动力学模型的基础上推导了俯仰通道和方位通道的状态空间模型。首先给出当平台姿态变化以及参数摄动时对象模型的线性分式变换描述，然后根据光电平台的实际需求设计了基于 μ综合的多变量控制器。仿真结果表明，内、外环架系统均获得了良好的鲁棒性能。 针对光电平台系统在目标自动跟踪工作模式时的惯性稳定控制问题，指出内、外环架系统是依带宽解耦的。控制设计着重考虑了系统对非线性摩擦扰动的抑制能力以及系统参数变化时的鲁棒性能。在环架轴系间的摩擦由LuGre模型描述的条件下，对于动态摩擦参数未知且发生非一致性变化的情况，提出了一种具有时变观测器增益的自适应动态摩擦补偿方法，解决了调节常数观测器增益无法获得误差收敛速度和收敛精度同时提高的问题。接着同时考虑动态摩擦参数以及系统负载特性未知的情况，为稳定回路设计了模型参考自适应动态摩擦补偿控制律。通过类李雅普诺夫方法给出了两种情况下闭环系统的稳定性证明。仿真结果表明光电平台系统的视轴稳定精度得以有效提升。 为了研究和验证光电平台惯性稳定及跟踪控制系统中的共性问题及若干关键技术，基于Matlab的xPC Target环境设计并实现了光电平台半实物实时仿真系统。给出了系统的总体结构及软硬件设计，同时阐述了系统研制过程中的一些关键技术及解决方案。针对光电平台半实物仿真系统分别设计和调试了比例积分、校正及 μ 综合三种惯性稳定控制器，并就不同控制器下的系统性能进行了理论分析比较。最后进行了摇摆实验，取得了与理论分析相一致的结果，证明了所设计控制器的有效性和工程实用价值。