飞艇用探测器稳定平台控制研究
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摘要
随着遥控飞艇技术的发展,艇上的测控设备和用于自动驾驶的传感器等光电设备将越来越多,稳定平台是搭载该类探测器装备的重要部件。它是一个集光、机、电于一体的复杂系统,其作用就是用来隔离载机的高频振动、冲击和飞行姿态的变化,从而保证系统的可靠性和探测成像质量。本文对光电探测器稳定平台中的控制技术进行了系统的研究,并以实现高精度扫描观测任务为目标,进一步研究了二级稳定平台扫描轨迹的控制问题。
论文的研究工作包含以下几个部分：
1.介绍艇载稳定平台系统的总体设计方案,包括机械设计方案、伺服系统总体设计方案。对不同的稳定平台结构进行比较说明,并对选定的平台结构设计了伺服控制方案及系统软件工作流程。
2.从硬件方面讨论了稳定平台控制器的总体方案,其中具体设计和分析了各模块电路。
3.分析了平台控制系统的数学模型,包括主要环节的传递函数及数学模型。分析了平台控制结构模型,并对控制系统的电流环、速度环、位置环进行了分析。
4.对二级平台的扫描观测任务和控制性能进行了研究,主要对高速扫描机电装置的要求、电机选型原则、加速度与带宽的关系、斜坡信号产生等问题进行了理论分析和Matlab仿真。并以此为基础给出了高速扫描机电装置的设计建议。
With the development of the airship's telecontrol technology, there are more and more Opt-Electronic (O-E) equipments and sensors on the airship for observing and controlling or automatic driving. The stabilized platform is an important part for loading these detectors. It acts on insulating the airship shake, impact, flight pose transformation, accordingly ensure the system reliability and detecting imagine quality. It is a complex system composed of optics, mechanism, and electricity. The dissertation mainly focuses on the control technology of the O-E detector stabilized platform, and implement the scan observation mission on the two stage stabilized platform, study on the performance of the platform.
The main work is organized as follows:
1. The collectivity design project is introduced including mechanism project and servo system project. Accounting for different structure stabilized platforms, the project of the servocontrol and software flow is designed for the selected platform.
2. The controller project of the stabilized platform is discussed on the airship from the hardware, thereinto the circuit of the different module is designed and analyzed.
3. The mathematical modeling is analyzed including main part transfer function and mathematic model. The control structure of the platform is analyzed including the current loop, speed loop, position loop in the control system.
4. Scan observation mission and the control system performance of the two stage stabilized platform are studied theoretically, and the requests of the high speed scan mechatronic device are analyzed by Matlab simulation. Also the choosing principle of the motor, the relation between acceleration and bandwidth, the error on the slope signal input are analyzed. Finally the design suggestions are advised about the high speed scan mechatronic device.
论文的研究工作包含以下几个部分：
1.介绍艇载稳定平台系统的总体设计方案,包括机械设计方案、伺服系统总体设计方案。对不同的稳定平台结构进行比较说明,并对选定的平台结构设计了伺服控制方案及系统软件工作流程。
2.从硬件方面讨论了稳定平台控制器的总体方案,其中具体设计和分析了各模块电路。
3.分析了平台控制系统的数学模型,包括主要环节的传递函数及数学模型。分析了平台控制结构模型,并对控制系统的电流环、速度环、位置环进行了分析。
4.对二级平台的扫描观测任务和控制性能进行了研究,主要对高速扫描机电装置的要求、电机选型原则、加速度与带宽的关系、斜坡信号产生等问题进行了理论分析和Matlab仿真。并以此为基础给出了高速扫描机电装置的设计建议。
With the development of the airship's telecontrol technology, there are more and more Opt-Electronic (O-E) equipments and sensors on the airship for observing and controlling or automatic driving. The stabilized platform is an important part for loading these detectors. It acts on insulating the airship shake, impact, flight pose transformation, accordingly ensure the system reliability and detecting imagine quality. It is a complex system composed of optics, mechanism, and electricity. The dissertation mainly focuses on the control technology of the O-E detector stabilized platform, and implement the scan observation mission on the two stage stabilized platform, study on the performance of the platform.
The main work is organized as follows:
1. The collectivity design project is introduced including mechanism project and servo system project. Accounting for different structure stabilized platforms, the project of the servocontrol and software flow is designed for the selected platform.
2. The controller project of the stabilized platform is discussed on the airship from the hardware, thereinto the circuit of the different module is designed and analyzed.
3. The mathematical modeling is analyzed including main part transfer function and mathematic model. The control structure of the platform is analyzed including the current loop, speed loop, position loop in the control system.
4. Scan observation mission and the control system performance of the two stage stabilized platform are studied theoretically, and the requests of the high speed scan mechatronic device are analyzed by Matlab simulation. Also the choosing principle of the motor, the relation between acceleration and bandwidth, the error on the slope signal input are analyzed. Finally the design suggestions are advised about the high speed scan mechatronic device.
引文
[1]兰俊杰,任寿亭,邓光海。飞艇的信息战应用研究[J]。航天电子对抗,2007(2)。
[2]华锋,高维,彭小龙,王德宝。浅谈美军飞艇发展[J]。飞航导弹,2007(7)。
[3]刘庆飞,刘学斌,王忠厚,胡炳梁,陈林杰。机载多光谱相机稳定平台系统研究[J]。航空航天,2005。
[4]黄永梅,马佳光,傅承毓。模糊控制在DGC光电经纬仪中的应用[J]。光电工程,1995,22(5)：7-14。
[5]黄永梅,傅承毓。模糊控制对精密实时跟踪控制系统性能的改善[J]。光电工程,1999,26(1)：16-17。
[6]柴瑞娟,孟姝娟。模糊控制理论在雷达天控系统中的应用[J]。电光与控制,2002,9(2)：1-3。
[7]李军伟,赵克定,吴盛林。一种基于模糊补偿的自适应控制在液压转台中的应用[J]。航空学报,2003,24(1)：72-74。
[8]王锴,王占林,裘丽华,付永领。液压飞行仿真转台外框FNN控制器设计及仿真[J]。北京航空航天大学学报,2006,32(5)：571-574。
[9]郦小敏,王卫红,王宗学。基于RBFN的伺服系统前馈控制器设计和仿真研究[J]。航空学报,2003,24(3)：266-268。
[10]宋中民,陈兴林,段广仁,张松波。神经网络在转台控制系统设计中的应用[J]。系统仿真学报,2004,16(4)：647-650。
[11]孙宜标,金石,王成元。直接驱动环形永磁力矩电机μ-H∞速度控制器设计[J]。中国电机工程学报,2007,27(3)：35-39。
[12]刘富春,姚郁,傅绍文。仿真转台系统非脆弱鲁棒控制器设计[J]。电机与控制学报,2006,10(5)：517-521。
[13]W S Ra, I H Whang, J Y Ahn. Robust horizontal line-of-sight rate estimator for sea skimming anti-ship missile with two-axis gimballed seeker[J]. IEE Proc.-Radar Sonar Navig.2005,152(1):9-15.
[14]于金盈,许宏光,赵克定,袁立鹏。全阶滑模变结构解耦控制器在液压转台设计中的应用[J]。航空学报,2005,26(3)：376-379。
[15]Yuri B Shtessei. Sliding mode stabilization of three axis inertial platform [C]. IEEE proceeding of 26th southeastern symposium on system theory.1994: 54-58.
[16]王忠山,曾鸣,苏宝库。数字伺服系统中微分控制律的实现[J]。电机与控制学报,2006,10(3)：336-340。
[17]Peter J Kennedy, Phonda L Kennedy, Ian Agard. Adaptive compensation for pointing and tracking system application [C]. Proceeding of the 1999 IEEE international conference on control application, Hawai'i USA 1999,8.
[18]Pablo O Arambel, Raman K Mehra, Bradley Beeson. New generation high speed turret and pseudo bang-bang controller [C]. Proceeding of the American control conference.2001,6:2561-2566.
[19]胡浩军。运动平台捕获、跟踪与瞄准系统视轴稳定技术研究[D]。长沙：国防科技大学工学博士学位论文,2005。
[20]周百令主编。动力调谐陀螺仪设计与制造[M]。第一版。南京：东南大学出版社,2002。
[21]Craig R.J.G, Theory of Operation of an Elastically Supported Tuned Gyroscope[J]. IEEE Trans.1972,A ES-8(3).
[22]林士愕。动力调谐陀螺仪[M]。北京：国防工业出版社,1983。
[23]刘庆飞。基于DSP的机载稳定平台伺服技术研究[J]。中国科学院西安光学精密机械研究所硕士学位论文,2006。
[24]许德新。机载光电跟踪陀螺稳定技术[D]。哈尔滨工程大学硕士学位论文,2007。
[25]候为国。光电吊舱控制系统设计及实现[D]。复旦大学硕士学位论文,2006。
[26]李庆。航空光电吊舱陀螺稳定系统研究[D]。哈尔滨工程大学硕士学位论文,2007。
[27]范世荀。动力调谐陀螺仪数字控制技术研究[D]。长沙：国防科技大学工学硕士学位论文,2006。
[28]张黎黎,黄一,吕俊芳。机载光电跟瞄平台伺服系统中电流环的设计与仿真[J]。航空计测技术,2003。
[29]杨梅仓。双轴陀螺稳定平台抖动现象分析研究[J]。研究·工艺·应用。2005。
[30]张智永。光电稳定伺服机构的关键测控问题研究[D]。国防科技大学工学博士学位论文,2006。
[31]郝颖。动力调谐陀螺仪的关键技术研究[D]。哈尔滨工程大学博士学位论文,2006。
[2]华锋,高维,彭小龙,王德宝。浅谈美军飞艇发展[J]。飞航导弹,2007(7)。
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[4]黄永梅,马佳光,傅承毓。模糊控制在DGC光电经纬仪中的应用[J]。光电工程,1995,22(5)：7-14。
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[8]王锴,王占林,裘丽华,付永领。液压飞行仿真转台外框FNN控制器设计及仿真[J]。北京航空航天大学学报,2006,32(5)：571-574。
[9]郦小敏,王卫红,王宗学。基于RBFN的伺服系统前馈控制器设计和仿真研究[J]。航空学报,2003,24(3)：266-268。
[10]宋中民,陈兴林,段广仁,张松波。神经网络在转台控制系统设计中的应用[J]。系统仿真学报,2004,16(4)：647-650。
[11]孙宜标,金石,王成元。直接驱动环形永磁力矩电机μ-H∞速度控制器设计[J]。中国电机工程学报,2007,27(3)：35-39。
[12]刘富春,姚郁,傅绍文。仿真转台系统非脆弱鲁棒控制器设计[J]。电机与控制学报,2006,10(5)：517-521。
[13]W S Ra, I H Whang, J Y Ahn. Robust horizontal line-of-sight rate estimator for sea skimming anti-ship missile with two-axis gimballed seeker[J]. IEE Proc.-Radar Sonar Navig.2005,152(1):9-15.
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[17]Peter J Kennedy, Phonda L Kennedy, Ian Agard. Adaptive compensation for pointing and tracking system application [C]. Proceeding of the 1999 IEEE international conference on control application, Hawai'i USA 1999,8.
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[20]周百令主编。动力调谐陀螺仪设计与制造[M]。第一版。南京：东南大学出版社,2002。
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[25]候为国。光电吊舱控制系统设计及实现[D]。复旦大学硕士学位论文,2006。
[26]李庆。航空光电吊舱陀螺稳定系统研究[D]。哈尔滨工程大学硕士学位论文,2007。
[27]范世荀。动力调谐陀螺仪数字控制技术研究[D]。长沙：国防科技大学工学硕士学位论文,2006。
[28]张黎黎,黄一,吕俊芳。机载光电跟瞄平台伺服系统中电流环的设计与仿真[J]。航空计测技术,2003。
[29]杨梅仓。双轴陀螺稳定平台抖动现象分析研究[J]。研究·工艺·应用。2005。
[30]张智永。光电稳定伺服机构的关键测控问题研究[D]。国防科技大学工学博士学位论文,2006。
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