惯性稳定平台的自适应鲁棒控制研究

摘要

机载光电稳定平台大范围地应用在侦察、定位、作战以及效果评估等方面。光电稳定平台的视轴稳定精度是衡量其性能的一个重要指标，稳定精度将直接影响光电稳定平台的成像清晰度、信息准确度等。所以，实现机载光电平台的视轴稳定控制并保持高稳定精度非常重要。在实际复杂的工作环境下，来自载体飞机的姿态变化，载体飞机的振动、气流扰动、线缆等其他一些不确定因素都将给光电平台的稳定控制引入扰动力矩，使得平台电机力矩不能完全精确地驱动框架，视轴不能准确地稳定在期望位置。此外，在平台长期使用过程中，不同的负载大小、不同温度下的运行环境、长期使用所造成的部件磨损等，都将导致光电平台系统参数的变动，影响一些包含系统参数的控制器设计。惯性稳定平台作为机载光电平台的主要结构，提高惯性稳定平台的抗干扰能力以及控制中的自适应能力在研究机载光电平台技术中显得尤为关键。
　　本文主要对惯性稳定平台的扰动补偿-自适应鲁棒复合策略进行深入研究:首先以下三角系统为研究对象，针对这类系统的输入输出约束问题中自适应鲁棒方法进行了相应的改进;然后以下三角系统的二阶运动系统为例，研究了扰动观测器-自适应鲁棒控制方法;接着将二阶运动系统具体化为惯性稳定平台系统，并结合扰动观测器和光滑摩擦力模型，对该类平台的惯性稳定和轨迹跟踪两方面进行了研究;最后针对平台实际应用中的耦合与时延问题进行了讨论。本文的主要研究内容如下:
　　1)考虑实际控制系统中，可能存在的输入饱和和输出约束问题，研究了输入饱和和输出约束条件下的自适应鲁棒控制方法。我们采用辅助状态变量系统进行自适应鲁棒控制律设计并进行相关稳定性分析。改进的控制律在系统输入端发生饱和时，可以有效补偿饱和现象。此外，我们对输出约束的自适应鲁棒控制问题进行了研究，采用障碍李雅普诺夫函数法设计了输出约束下的自适应鲁棒控制并进行了控制器特性分析。最后，我们提出两种约束下的自适应鲁棒控制方法。
　　2)研究了以电机为执行机构的二阶运动系统中位置控制和速度控制问题。针对电机系统中参数的不确定、输入端外部扰动的存在等问题，本文提出了具有参数自适应能力、扰动估计与抑制能力的扩张扰动观测补偿-自适应鲁棒控制方法。通过分析，我们证明该控制方法实现了控制对象的一致最终有界性。另外，我们通过采用饱和函数的近似来重新设计了扰动观测器，实现所提复合控制方法在输入饱和约束下的应用。通过数值仿真，参数估计、扰动估计，输出跟踪情况均得到了验证。
　　3)研究了单俯仰稳定框架的稳定控制。本文首先提出基于光滑摩擦近似模型的鲁棒积分稳定控制方法，实现对摩擦的补偿和系统的稳定控制。然后，通过引入扩张扰动观测器，进一步提高复合控制器的性能。通过仿真分析和实验验证，所提方法在对惯性稳定平台的稳定控制上具有较好的性能。
　　4)分析双轴惯性稳定平台的控制问题。文中主要分析了俯仰-偏航两框架的动力学特性。通过扰动估计与补偿的方式，我们实现了两轴惯性稳定平台的解耦控制和自适应鲁棒稳定控制。另外，针对惯性稳定平台以图像跟踪系统为传感器信息来源时的时延和扰动问题，我们提出了双扰动观测补偿跟踪控制方法，并实现传感器大时延和输入外扰动并存下的稳定跟踪控制。

目录

声明

摘要

表格索引

插图索引

主要符号对照表

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 惯性稳定平台的研究现状

1．2．2 惯性稳定控制的研究现状

1．2．3 目标跟踪控制问题的研究现状

1．3 本文的内容安排

第2章 预备知识

2．1 积分反步法

2．2 自适应反步法

2．3 自适应鲁棒控制

2．4 BLF指标函数

第3章 自适应鲁棒控制的约束分析

3．1 引言

3．2 数学模型与问题描述

3．3 自适应鲁棒的抗输入饱和设计

3．3．1 抗输入饱和的自适应鲁棒控制算法

3．3．2 稳定性分析

3．3．3 瞬态性能分析

3．4 含输出约束的情形

3．4．1 自适应鲁棒控制的输出约束问题

3．4．2 双约束控制律设计

3．4．3 双约束稳定性分析

3．5 数值仿真分析

3．5．1 输入约束情况的分析

3．5．2 输出约束问题的分析

3．5．3 输入输出约束的分析

3．6 小结

第4章 二阶运动系统的复合控制方法

4．1 引言

4．2 数学模型与问题描述

4．3 反馈线性化与自适应鲁棒控制

4．3．1 反馈线性化控制律设计

4．3．2 自适应鲁棒控制律设计

4．4 扩张扰动观测-自适应鲁棒控制律

4．4．1 扩张扰动观测器

4．4．2 扰动补偿复合自适应鲁棒控制

4．5 抗饱和复合自适应鲁棒控制

4．5．1 二阶输入饱和模型

4．5．2 饱和函数近似

4．5．3 饱和近似下的扰动观测器

4．5．4 抗饱和复合自适应鲁棒控制设计

4．6 数值仿真分析与验证

4．6．1 复合自适应鲁棒控制的仿真分析

4．6．2 饱和约束的复合控制律分析

4．7 小结

第5章 单俯仰稳定平台控制

5．1 引言

5．2 问题描述和数学模型

5．2．1 惯性稳定平台的介绍

5．2．2 惯性稳定平台的数学模型

5．3 基于光滑摩擦近似模型的鲁棒积分控制律

5．3．1 摩擦模型

5．3．2 鲁棒积分控制律设计

5．3．3 基于扰动观测的复合控制律设计

5．3．4 参考信号的讨论

5．4 仿真分析

5．4．1 阶跃指向情形

5．4．2 正弦信号的跟踪情形

5．4．3 外框架运动情形

5．5 实验部分

5．6 小结

第6章 两轴惯性稳定平台的稳定与跟踪

6．1 引言

6．2 问题描述

6．3 惯性稳定平台的稳定与指向控制

6．3．1 两轴框架模型

6．3．2 控制律设计

6．4 基于摄像头的指向与跟踪

6．4．1 传输扰动时延补偿

6．4．2 双扰动观测与跟踪控制设计

6．5 仿真分析

6．5．1 两轴稳定与指向分析

6．5．2 基于传感器的跟踪分析

6．6 小结

第7章 结束语

7．1 论文的主要工作

7．2 论文的主要创新点

7．3 前景展望

7．4 研究体会

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文