陀螺稳定吊舱控制系统跟踪回路设计与研究

摘要

吊舱是一种高精度光电跟踪设备，在国防领域有着很重要的作用。随着跟踪目标机动性的增强，传统的设计方法已经不能满足现在跟踪机动目标的要求。由于电视跟踪器脱靶量的延迟对系统性能带来的不利影响，系统的带宽和开环增益不能设计的太高，跟踪精度被限制。如何提高光电跟踪设备的跟踪精度是一个研究的热点难点。
　　本文设计方法不同于传统的跟踪伺服系统设计方法，采用了预测补偿算法来补偿脱靶量延迟滞后，提高了系统的带宽和跟踪精度。主要工作包括以下几个方面：
　　1、在大量阅读参考文献的基础上，了解了光电吊舱控制系统的当前研究现状。结合实际课题，设计了吊舱控制系统的基本结构和原理。
　　2、设计了吊舱位置回路控制器。在不考虑电视跟踪器脱靶量延迟的前提下，研究了伺服系统的频率校正方法，并且内模控制的设计方法引入到伺服系统设计中，讨论了内模控制的基本原理和设计方法。按照跟踪的精度要求，分别采用了频率校正和内模控制两种方法设计了伺服控制器，通过仿真进行了验证和比较，证明了这两种设计方法的可行性。
　　3、针对光电传感器脱靶量延迟的问题，分析了延迟的存在对系统的影响。将最小均方误差(LMS)算法用于脱靶量预测补偿，并且提出将其与类似于共轴跟踪的方式结合起来，提出了一种目标位置合成的方法。讨论了LMS预测算法的基本理论，分析得出了算法的收敛条件，通过仿真证明了算法的有效性。并且对吊舱跟踪控制系统进行了仿真，证明了算法能达到精度的要求。
　　4、讨论了LMS算法的优缺点，针对LMS算法的不足，采用了预测滤波算法进行系统设计，采用共轴跟踪的控制方式。介绍了机动目标的模型和各种预测滤波方法，最后采用了自适应Kalman滤波算法，提出利用Kalman滤波外推的方法对脱靶量的延迟进行补偿。通过仿真验证了补偿达到了预期的效果。最后对整个跟踪回路进行了共轴跟踪的仿真实验，实验结果证明了采用共轴跟踪能达到期望的跟踪精度指标要求。

目录

陀螺稳定吊舱控制系统跟踪回路设计与研究

DESIGN AND RESEARCH ON TRACKING LOOP OF GYRO STABILIZED POD CONTROL SYSTEM

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 国内外的研究现状

1.3 本文吊舱控制系统结构

1.4 本文的主要研究内容

第2章 本研究所使用计算方法概述

2.1 LMS算法

2.1.1 LMS算法的基本原理

2.2 Kalman滤波及其原理

2.2.1 Kalman滤波

2.2.2 Kalman滤波原理

第3章 位置回路控制器设计

3.1 引言

3.2 伺服系统的基本方案

3.2.1 反馈控制系统

3.2.2 吊舱控制系统的双闭环控制

3.3 频率法串联校正

3.3.1 滞后校正网络

3.3.2 超前校正网络

3.4 内模控制

3.4.1 内模控制原理

3.4.2 内模控制性质

3.4.3 内模控制设计

3.5 吊舱跟踪回路各部分模型和检测信号数学模型

3.5.1 跟踪回路各环节模型

3.5.2 吊舱检测信号模型

3.6 用频率校正和内模控制设计位置控制器

3.6.1 吊舱系统跟踪指标

3.6.2 频率校正法设计

3.6.3 内模控制法设计

3.7 两种伺服系统设计方法控制效果比较

3.8 本章小结

第4章 脱靶量延迟的自适应预测补偿

4.1 前言

4.2 脱靶量延迟对系统性能的影响

4.3 自适应滤波器预测原理

4.4 目标位置的合成

4.5 自适应滤波器的结构与算法

4.6 LMS的收敛性分析

4.7 LMS算法的规格化处理

4.8 LMS算法预测的仿真验证

4.9 基于自适应预测补偿技术的陀螺稳定吊舱跟踪回路仿真

4.10 本章小结

第5章 Kalman滤波理论在吊舱控制系统中的应用

5.1 引言

5.2 机动目标模型

5.2.1 CA与CV模型

5.2.2 机动目标“当前”统计模型

5.3 滤波技术在光电吊舱控制系统中的应用

5.3.1 自适应Kalman滤波

5.4 基于共轴跟踪技术的陀螺稳定吊舱跟踪回路仿真

5.5 本章小结

结 论

参 考 文 献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢

个 人 简 历