精密光电稳定平台参数辨识与摩擦补偿控制问题研究

摘要

光电稳定平台广泛应用于光电侦察装置、精确制导武器以及先进火控系统等诸多领域，是实现在动载体下对目标快速捕获、跟踪与定位的关键部件，其性能直接影响武器装备的侦察能力与打击精度。随着武器装备的不断发展，对光电稳定平台提出了越来越高的精度和轻量化要求。摩擦已成为影响轻量化稳定平台性能提升的主要制约因素。针对这一现状，围绕光电稳定平台中对摩擦干扰的抑制问题，分别从工作机理、稳定平台参数辨识、预静摩擦特性建模、辨识与补偿控制这几个方面开展了深入的研究。本研究主要内容包括：
　　⑴研究了光电稳定平台结构组成和工作原理，建立了伺服机构各组成部分数学模型，基于伺服机构的动力学方程，对平台机电参数及摩擦因素对控制性能的影响进行了理论和仿真研究，结果表明：系统的惯量及力矩系数决定了系统低频特性及转折频率，通过电流闭环控制能有效抑制电枢电阻、电感及反电动势波动对系统特性的影响；摩擦对伺服性能的影响与系统运动状态直接相关，减小静摩擦、静摩擦与库伦摩擦的差值以及提高Stribeck速度阈值都有助于改善控制性能、抑制极限环现象。
　　⑵针对频域辨识方法在摩擦干扰下存在的不足，分析了摩擦对速度响应的影响机理，理论推导了相频特性中相位随摩擦增大而超前的原因。基于平台驱动机构动力学方程，提出了通过构造电流激励信号，将复杂多参数估计问题转化为对多个简单参数模型的优化问题，并利用多层坐标搜索算法进行寻优的时域辨识方法。该方法利用系统现有控制回路及反馈测量信号，在有限行程内实现了对机电系统的电枢电阻、电感、力矩系数、惯量、阻尼、库伦摩擦等参数的准确估计。
　　⑶针对Prestiction态摩擦行为难以应用传统摩擦模型进行描述的现状，提出了基于预滑动、宏观滑动及Prestiction态的预静摩擦模型。对Prestiction态摩擦行为在几类典型摩擦负载中的一致性进行了实验研究。基于耗散系统理论证明了LuGre模型不能刻画Prestiction态摩擦的变化过程。提出了以LuGre模型为基础并加入Prestiction态过程的新摩擦模型。通过与LuGre模型的仿真对比，验证了所提模型对Prestiction态摩擦行为描述的有效性。
　　⑷针对预静摩擦模型的参数辨识问题，提出了将预静摩擦模型参数分解成静态Stribeck模型参数、动态摩擦参数及Prestiction态参数分步进行估计的辨识策略。针对Stribeck模型在描述按正斜率特性变化粘滞摩擦的局限，提出了一种能刻画正、负斜率特性粘滞摩擦的改进Stribeck模型，为动态摩擦参数的辨识奠定了基础。仿真分析了速度回路基于摩擦力-速度、驱动力-速度估计动态摩擦参数的结果，验证了应用低速闭环条件下驱动力与速度辨识动态摩擦参数的有效性。然后，根据Prestiction态的速度响应特性实现了对Prestiction态参数的估计。通过对多种摩擦条件进行测试，实验验证了所提参数辨识方法的有效性。
　　⑸针对摩擦对平台的稳定精度的不利影响，研究了在稳定平台控制回路中进行摩擦补偿控制的问题。设计了基于预静摩擦模型的非线性摩擦补偿器，有效提高了伺服系统低速段的性能。提出了一种干扰抑制器+扰动观测器的控制方法，通过干扰抑制器补偿因模型失配对扰动观测器的影响，提高了控制系统的鲁棒性能及扰动抑制能力。最后，在不同摩擦条件下，在陀螺稳定控制回路中对所提摩擦补偿算法进行了实验验证。结果表明：基于预静摩擦模型的扰动抑制性能优于基于传统摩擦模型的补偿；干扰抑制器+扰动观测器的补偿策略能有效抑制扰动及负载变化对控制性能的影响，提高了平台的稳定精度。

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第一章 绪论

1.1 论文研究的背景及意义

1.2 光电稳定平台的发展概况

1.3 关键技术研究综述

1.4 论文的主要研究内容

第二章 光电稳定平台工作机理研究

2.1 光电稳定平台系统组成及工作原理

2.2 主要干扰力矩分析

2.3 伺服机构动力学与控制模型

2.4 伺服控制性能影响因素分析

2.5 本章小结

第三章 光电稳定平台参数辨识问题研究

3.1 基于频率特性测试的模型参数辨识

3.2 有限转角条件下光电稳定平台参数辨识方法设计与实现

3.3 光电稳定平台多参数辨识方法的实验验证

3.4 本章小结

第四章 光电稳定平台预静摩擦建模研究

4.1 摩擦行为的测试与分析

4.2 Ali建立的Prestiction模型

4.3 改进LuGre模型的预静摩擦建模

4.4 Prestiction摩擦行为的仿真验证

4.5 本章小结

第五章 预静摩擦模型参数辨识问题研究

5.1 静态摩擦参数辨识

5.2 动态摩擦参数辨识

5.3 Prestiction状态摩擦参数辨识

5.4 本章小结

第六章 光电稳定平台摩擦补偿控制方法研究

6.1 基于预静摩擦模型的补偿控制研究

6.2 基于扰动观测的补偿控制方法研究

6.3 基于预静摩擦模型和扰动观测器的补偿控制研究

6.4 摩擦补偿控制方法在陀螺稳定回路中的实验验证

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录1：多层坐标搜索算法