视轴稳定与跟踪系统的控制结构及算法研究

摘要

在航天侦察、航海侦测、环境侦测等领域中，视轴稳定平台得到了大量的应用。在实际应用中，稳定平台能隔离载体的振动，提高摄影的质量。视轴稳定与跟踪系统主要实现两大功能:一是使相机视轴相对周围的惯性空间保持稳定，二是保证相机视轴按照指定规律跟踪指定航道。
　　CCD相机在载机上的稳定防抖以及视轴精确跟踪问题一直以来都是一个难题。系统受内部摩擦力矩扰动，外部载机振动带来的随机扰动，机械谐振，陀螺信号漂移误差等因素的影响，造成CCD相机视轴难于在预定的航道上保持稳定，造成拍摄质量的下降。
　　本论文针对载机上的CCD相机对预定航道的稳定瞄准与精确跟踪问题中的相关技术进行了理论研究和仿真验证，旨在能实现系统预定的性能指标。本文以此为背景，开展了如下几点研究工作:
　　(1)对整个伺服控制系统模型作了详细的推导，根据实际情况选择了伺服系统的控制结构。确定采用双速度环的串级复合控制方案，将电流环、转速环、稳定环以及位置环组合起来形成多环路系统。
　　(2)在对伺服驱动器进行建模的基础上，推导出系统的转速环和电流环数学模型，然后根据系统的稳定指标要求，对稳定环进行了综合校正，得到了满意的控制效果。
　　(3)在伺服跟踪回路中引入了将智能控制算法和常规PID控制算法相结合的智能PID控制器，并分别对常规PID控制器和智能PID控制器进行了仿真，证明了智能PID控制算法在跟踪回路中的优势。
　　本文对实际系统进行了研究论证，提出了合理的控制方案和系统结构，为实际应用系统的研制和改进提高奠定了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 系统概述

1．2 稳定平台现状分析

1．2．1 国内外稳定平台的研究状况

1．2．2 稳定平台伺服系统中采用的控制策略

1．3 稳定伺服技术的发展趋势

1．4 本课题的研究背景

1．5 论文主要内容和结构安排

第2章 视轴稳定与跟踪系统分析与设计

2．1 双轴稳定平台的系统结构和工作原理

2．1．1 双轴稳定平台的结构介绍

2．1．2 双轴稳定平台隔离角运动分析

2．2 影响稳定平台性能的主要因素

2．2．1 干扰力矩的影响

2．2．2 机械谐振影响

2．2．3 陀螺噪声的影响

2．3 视轴稳定与跟踪系统设计

2．3．1 伺服控制系统的结构

2．3．2 视轴稳定方案的选择

2．4 本章小结

第3章 双速度环系统的建模与仿真

3．1 建模的方法及伺服驱动器性能指标

3．2 闭环双系统主要组成部分的数学模型和参数计算

3．2．1 电流反馈、滤波环节传递函数

3．2．2 转速反馈、滤波环节传递函数

3．2．3 PWM功率放大电路传递函数

3．2．4 力矩电机和稳定平台的主要参数

3．3 电流环的建模与仿真

3．3．1 电流环传递函数

3．3．2 电流环数学模型仿真

3．4 转速环的建模与仿真

3．4．1 转速环的结构分析

3．4．2 转速调节器的传递函数

3．4．3 转速环数学模型仿真

3．4．4 转速环闭环传递函数

3．5 本章小结

第4章 稳定回路的分析与设计

4．1 稳定环的结构分析与设计目标

4．1．1 稳定环的控制结构

4．1．2 稳定环的设计目标

4．2 稳定环隔离度分析

4．3 稳定环控制器的分析与设计

4．3．1 未校正时稳定环的特性

4．3．2 比例校正时系统的特性

4．3．3 稳定环高阶校正函数的设计

4．3．4 高阶校正后稳定环性能测试及结果分析

4．3．5 加速度补偿

4．4 综合校正后的稳定环性能测试及结果分析

4．4．1 稳定环跟踪性能测试

4．4．2 稳定环隔离度测试

4．4．3 稳定环对内部干扰抑制能力测试

4．4．4 稳定环带宽测试

4．5 本章小结

第5章 伺服系统跟踪回路的控制算法研究

5．1 稳定环数学模型的化简

5．2 PID控制方案

5．2．1 常规PID控制算法

5．2．2 数字PID控制算法

5．2．3 PID控制器参数的整定

5．3 智能PID控制算法的研究

5．3．1 智能PID算法的控制策略分析

5．3．2 智能PID算法的控制规则实现

5．4 基于智能PID控制器的位置环仿真分析

5．4．1 A航道模式下的回摆角

5．4．2 B航道模式下的回摆角

5．4．3 C航道模式下的回摆角

5．4．4 航道之间的步迸角

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢