电动三轴稳定跟踪平台控制策略研究

摘要

本课题主要来源于海军某部队的舰载末制导跟踪实验项目，舰艇上的末制导跟踪设备是影响军舰战斗力的一个重要因素，末制导跟踪设备要完成对目标的稳定跟踪，需要隔离舰艇的晃动，保证制导设备的地理水平稳定。本课题主要是分析舰艇稳定跟踪平台的工作模式，研究其工作原理，基于稳定跟踪系统稳定性、快速性以及精准性的要求，研究提高系统自稳以及跟踪性能的控制策略。
　　根据课题提供的要求，分析稳定跟踪平台的工作模式，研究稳定跟踪平台的工作原理，同时确定系统的驱动方案，确定系统的关键参数。
　　按照控制理论建立单通道电机伺服位置控制系统的数学模型，得到以电机的电枢电压输入，电机角位移为输出的传递函数模型。为提高系统性能要求，按照工程设计方法，设计从内到外为电流环、转速环、位置环的三闭环位置控制系统，并按典型Ⅰ型系统要求配置电流调节器(ACR)，转速调节器(ASR)以及位置调节器(APR)的参数，在这基础上分析系统在无外界干扰情况下的稳定性、准确性、快速性。
　　根据稳定跟踪平台的实际工作情况，引入位置控制系统的主要干扰，一方面，平台姿态的改变导致控制对象的转动惯量改变，从而使得传递函数结构改变；另一方面稳定跟踪平台工作时存在摩擦力矩干扰，由于平台的低速性，引入Stribeck摩擦模型，使得原来的线性系统变成非线性系统。建立Simulink仿真模型，在经典PID控制下，完成系统的单位阶跃响应以及正弦跟踪仿真，仿真结果表明经典PID在非线性系统控制中，没有使得系统稳态和动态性能达到一个良好的结果。
　　针对采用经典PID控制，非线性系统的响应输出准确性以及快速性没有达到要求这一问题，引入滑模变结构控制，消除系统由于控制系统结构改变、不连续等带来的影响。本课题采用基于指数趋近律的方法设计滑模控制器，得到以角位移误差、角速度、加速度、输入信号一阶以及二阶微分为输入的控制器，并搭建Simulink模型，进行系统单位阶跃响应以及正弦跟踪仿真，将仿真结果与采用经典PID控制的对比表明：滑模变结构控制器具有更好的快速性，满足系统动态要求，降低稳定误差，且能更好地抵抗外界干扰，抑制系统结构参数变化等对系统带来的影响，达到良好地控制效果。
　　最后通过稳定跟踪平台在舰艇上的阶跃跟踪、系统自稳、方位跟踪实验，验证位置控制系统数学模型建立的合理性，比较经典PID控制与滑模变结构控制的性能，实验表明滑模变结构控制在稳定跟踪平台的阶跃响应、自稳以及方位跟踪的控制中，系统各项指标均满足要求，其控制性能较PID控制优越。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外稳定跟踪平台发展概况

1.3 交流电机伺服系统常用的控制策略

1.4 论文主要研究内容

第2章 稳定跟踪平台工作分析

2.1 引言

2.2 系统参数设计

2.3稳定跟踪平台工作模式研究

2.4 本章小结

第3章 电机伺服系统数学模型搭建及分析

3.1 引言

3.2单通道电机位置系统数学模型的建立

3.3方位跟踪数学模型

3.4控制系统外干扰数学模型

3.5 本章小结

第4章 稳定跟踪平台控制器设计

4.1 引言

4.2稳定跟踪平台机械模态分析

4.3 单通道经典PID控制

4.4 滑模变结构控制

4.5滑模变结构控制Simulink系统仿真

4.6 SimMechancis物理模型仿真

4.7 本章小结

第5章 稳定跟踪平台的实验验证与研究

5.1 引言

5.2实验台组成

5.3稳定跟踪平台实验

结论

参考文献

声明

致谢