基于动平衡解耦和改进型自抗扰控制的遥感相机姿态高精度控制研究

摘要

具备快速、精准扫描功能的遥感相机广泛地应用于军事侦查、精准打击、主动搜索、野外救援、气流观测、气象预报等领域。由于遥感相机工作在失重环境下，微小的扰动有可能带来极大的负面影响，因此对遥感相机姿态控制系统的控制品质提出更高的要求。由于遥感相机姿态控制轴系间的运动耦合影响以及控制策略的低速控制性能和位置定位精度的欠缺，目前的遥感相机姿态控制系统的控制品质依然有待提升。
　　为了改善遥感相机姿态控制系统的控制精度，实现遥感相机的精准定位扫描，本文开展了基于改进型自抗扰控制策略和动平衡机械机构解耦协同作用的遥感相机姿态高精度控制系统研究。首先建立了遥感相机姿态控制系统的数学模型，包括:动平衡机械解耦机构的模型，系统执行机构（永磁同步电机）的电流环、速度环、位置环数学模型。其次设计了遥感相机姿态控制系统的动平衡机械解耦机构。该机械机构中，电机定子的反向扭矩通过增速器逐级传递，反向驱动角动量平衡轮获得与电机转子驱动遥感相机主轴的角动量方向相反、量值相等的反向角动量，实现机构内部角动量平衡，完成轴系间运动耦合的解耦。然后研究了改进型自抗扰控制策略。该控制策略因为采用了大量的非线性函数，是一种非线性控制策略。通过仿真和计算，研究设计了一个可以实现平稳切换的新型非线性函数，基于该函数对传统自抗扰控制器的核心组成部分:扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制律进行了改进。同时设计了跟踪微分器和扰动补偿装置，进而设计了改进型自抗扰控制策略。在改进型自抗扰控制策略中，跟踪微分器用来安排过渡过程，跟踪系统的状态及状态的各阶微分，克服超调和快速的矛盾，提供优质输入;改进型扩张状态观测器，用来观测控制系统的内部状态和由非线性因素、模型不确定性和外部扰动等组成的一个扩张状态，改善系统可控性;非线性状态误差反馈控制律，用来抑制残余误差，提供最优控制量;扰动补偿装置，用来线性补偿总扰动、转换系统为积分串联型。对改进型自抗扰控制策略进行了仿真验证，结果表明改进型自抗扰控制策略比传统自抗扰控制策略和传统PI控制具备更好的跟踪能力、更快的响应速度、更小的超调。最后本文设计了基于改进型自抗扰控制策略和动平衡机械机构解耦协同作用的遥感相机姿态控制系统。主要内容包括遥感相机姿态控制系统的电流环改进型自抗扰控制器、速度环改进型自抗扰控制器和位置环改进型自抗扰控制器，并分别进行了仿真验证和实验验证。由于动平衡机械机构消除了遥感相机姿态控制轴系间的运动耦合，改进型自抗扰控制策略不依赖于被控对象的数学模型，实时估计并补偿了各类扰动，不仅控制了系统的状态，也控制了状态的各阶微分，实现了高性能控制。因此，仿真结果和实验结果均表明基于改进型自抗扰控制和动平衡机械机构解耦协同作用的遥感相机姿态控制系统取得了较好的动、静态性能。
　　本文设计的动平衡机械解耦机构和改进型自抗扰控制策略协同作用较好的改善了遥感相机姿态控制系统的控制性能，在实验验证中取得了良好的效果，因此具有广泛的意义。为采用动平衡机械机构解耦的机械方法解决控制问题及复杂环境下的抗干扰、高精度控制提供了有价值的探索。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文选题背景和研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 遥感相机姿态控制轴系的动平衡解耦研究现状

1．2．2 遥感相机姿态控制系统的控制机制研究现状

1．3 本文研究内容

1．3．1 遥感相机姿态控制轴系动平衡解耦机构

1．3．2 遥感相机姿态控制系统改进型自抗扰控制

1．4 论文选题及结构

1．4．1 论文选题

1．4．2 论文结构

1．5 本章小结

第2章 动平衡机械解耦机构设计与分析

2．1 引言

2．2 动平衡机械解耦机构设计

2．2．1 机构组成与工作原理

2．2．2 齿轮系设计

2．3 动平衡机械解耦机构理论验证及结果分析

2．3．1 动平衡机械解耦机构理论验证

2．3．2 动平衡机械解耦机构结果分析

2．4 动平衡解耦机械机构仿真验证及结果分析

2．4．1 动平衡解耦机械机构三维仿真模型建立

2．4．2 动平衡解耦机械机构仿真及结果分析

2．5 本章小结

第3章 遥感相机姿态控制系统建模研究

3．1 引言

3．2 遥感相机姿态控制系统组成

3．3 遥感相机姿态控制轴系的动平衡机械解耦机构模型

3．3．1 遥感相机姿态控制轴系

3．3．2 动平衡机械解耦机构模型

3．4 遥感相机姿态控制系统驱动机构(电机)建模研究

3．4．1 坐标变换原理

3．4．2 永磁同步电机数学模型

3．5 本章小结

第4章 改进型自抗扰控制策略研究

4．1 引言

4．2 从PID到ADRC

4．3 新型非线性函数研究

4．4 改进型自抗扰控制策略研究

4．4．1 跟踪微分器

4．4．2 改进型状态扩张观测器

4．4．3 改进型非线性状态误差反馈控制律

4．4．4 扰动补偿装置(DCD)

4．4．5 自抗扰控制策略的仿真研究

4．5 本章小结

第5章 遥感相机姿态控制系统改进型自抗扰控制研究

5．1 引言

5．2 遥感相机姿态控制系统电流环改进型自抗扰控制

5．2．1 电流环的自抗扰控制策略模型

5．2．2 电流环改进型自抗扰控制器

5．2．3 遥感相机姿态控制系统电流环改进型自抗扰控制仿真研究

5．3 遥感相机姿态控制系统速度环改进型自抗扰控制

5．3．1 速度环的自抗扰控制策略模型

5．3．2 速度环改进型自抗扰控制器

5．3．3 遥感相机姿态控制系统速度环改进型自抗扰控制仿真研究

5．4 遥感相机姿态控制系统位置环改进型自抗扰控制

5．4．1 位置环的自抗扰控制策略模型

5．4．2 位置环改进型自抗扰控制器

5．4．3 遥感相机姿态控制系统位置环改进型自抗扰控制仿真研究

5．5 遥感相机姿态控制系统改进型自抗扰控制实验研究

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 论文创新点

6．3 后续研究与展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果