行进间车载伺服系统控制策略及路谱滤波算法研究

摘要

行进间车载伺服系统需要在路面扰动的情况下对运动目标进行快速、稳定、准确地跟踪，因此系统控制策略及对路面扰动的处理是该系统研究的重点。本文以两轴车载伺服系统为研究对象，以基于误差分区的PID算法为基础，主要研究了车体静止时的维护态与车体运动时的工作态下对应的两种控制算法;为对路面扰动进行精准补偿，本文研究了路谱信号的自适应卡尔曼滤波算法。实际调试结果表明，伺服系统满足各项性能指标要求。
　　首先，介绍了系统功能及各项性能指标要求，根据系统要求对系统执行机构电机及其他关键元件进行选型分析，同时分析了各主要环节数学模型并在建立方位、俯仰模型基础上搭建了系统总体仿真模型。
　　其次，对路谱信号进行频谱分析及建模，在AR模型基础上分析了路谱信号的经典卡尔曼滤波及Sage-Husa自适应卡尔曼滤波实现。针对前两种滤波算法在本系统应用中的不足，提出了一种基于滤波增益矩阵K估计的自适应卡尔曼滤波算法。
　　然后，采用PID加前馈的复合控制方式实现车体静止时对目标的快速稳定跟踪;在路面扰动情况下，研究了扰动补偿算法实现并提出了基于扰动补偿的控制算法。仿真结果表明，各控制算法均能满足相应工作状态下系统需求。
　　最后，对连续系统进行离散化设计。在滤波算法、控制算法及其他辅助算法基础上，对系统控制进行了数字化实现并进行了最终的实际调试。调试结果表明，系统在静止时及行进间工作时稳定性及跟踪目标能力均较好。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 引言

1．2 选题背景及意义

1．3 卡尔曼滤波研究现状

1．3．1 卡尔曼滤波理论的提出

1．3．2 卡尔曼滤波理论发展与研究现状

1．4 伺服控制研究现状及发展趋势

1．5 本文主要工作及结构

2．伺服系统总体设计方案

2．1 系统功能及主要性能指标

2．2 系统总体设计

2．3 系统关键元件选型

2．3．2 伺服电机选型

2．3．3 驱动单元选型

2．3．4 位置检测元件选型

2．3．5 惯性测量元件选型

2．4 本章小结

3．伺服系统建模

3．1 系统各主要环节模型

3．1．1 永磁同步电机(PMSM)数学模型

3．1．2 电动缸模型

3．2 其他环节数学模型

3．2．1 位置检测元件模型

3．2．2 惯性测量元件模型

3．3 俯仰、方位系统建模与仿真

3．3．1 电流环设计

3．3．2 速度环设计

3．3．3 俯仰系统仿真模型

3．3．4 方位系统仿真模型

3．4 系统整体仿真模型

3．5 本章小结

4．路谱信号自适应卡尔曼滤波算法研究

4．1 路谱信号分析

4．2 路谱信号建模

4．3 路谱信号Sage-Husa自适应卡尔曼滤波分析

4．4 基于Kk估计的自适应卡尔曼滤波算法研究

4．5 路谱信号滤波仿真分析

4．6 本章小结

5．伺服系统控制策略研究

5．1 基于分区PID的智能控制算法分析

5．2 系统维护态控制算法研究

5．2．1 常规PID控制

5．2．2 常规PID加前馈复合控制

5．3 系统工作态控制算法研究

5．3．1 无路面补偿控制

5．3．2 系统扰动补偿实现

5．3．3 按扰动补偿控制

5．4 本章小结

6．系统控制软件设计

6．1 系统控制软件总体设计

6．1．1 系统展开与撤收

6．1．2 系统维护态控制

6．1．3 系统工作态控制

6．2 系统控制软件实现

6．2．1 路谱滤波算法软件实现

6．2．2 拉格朗日插值算法软件实现

6．2．3 拉格朗日外推算法软件实现

6．2．4 坐标转换算法软件实现

6．2．5 基于PID加前馈的复合控制算法的数字化实现

6．2．6 基于分区PID的智能控制算法数字化实现

6．2．7 系统扰动补偿的软件实现

6．3 本章小结

7．系统实际调试及分析

7．1 系统维护态调试

7．1．1 方位系统调试

7．1．2 俯仰系统调试

7．2 系统工作态调试

7．2．1 静止目标跟踪调试

7．2．2 运动目标跟踪调试

7．3 行进间光电模式系统调试

7．4 本章小结

8．总结与展望

8．1 总结

8．2 展望

致谢

参考文献

附录