半捷联光电稳定平台控制系统研究
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摘要
半捷联稳定方式利用弹载惯性器件信息实现导引头光轴的惯性稳定，有效解决了传统速率陀螺稳定方式中存在的系统体积大，质量重和成本高的问题，逐渐成为导引头技术的发展重点。本文针对研制的半捷联光电稳定平台原理样机，从运动学，稳定原理，动力学，系统摩擦补偿，系统整体稳定方案，匹配滤波，微分测速，控制算法以及视线角速度等方面开展了相应的研究。
首先，基于空间机构学的理论，针对半捷联光电稳定平台结构，采用空间坐标旋转变换的方法，导出了稳定平台偏航俯仰方向的角增量，同时建立了光轴在惯性空间的稳定方程，并研究对比了直接稳定和半捷联稳定的原理，给出了不同稳定方式下的几种控制和陀螺配置方案，并比较了各方案的优缺点。在运动学分析的基础上，采用牛顿力学原理，以刚体转动的欧拉动力学方程为基础，得出了半捷联光电稳定平台的动力学方程，并以半捷联原理样机为研究对象，采用数值仿真的方式得出了偏航框和俯仰框在工作空间内的角速度、角加速度以及框架间的耦合力矩，为控制系统的开发与设计打了基础。
为了提高半捷联光电稳定平台的稳定跟踪性能，针对系统中摩擦补偿、匹配滤波、微分测速以及控制系统设计等方面进行了研究。采用了基于库伦-粘滞摩擦模型的补偿方式，并通过极点配置的方法设计控制器，鉴于实际工程中摩擦模型难以精确建立，提出了基于扰动观测器的摩擦补偿方案；针对测速环节与陀螺动态不匹配的问题，设计了匹配滤波器，提高了系统对弹体扰动的解耦精度；对框架角位置信号微分求取角速度进行了研究，采用了跟踪微分器的方法进行框架角速度估计；根据经典控制理论和现代控制理论的方法设计了速率稳定环和位置跟踪环的控制系统，通过超前滞后的补偿方法设计了速率稳定环的控制器，在弹体扰动幅值为1°频率为2Hz时，偏航和俯仰方向的隔离度分别为5.97%和5.42%；采用模糊控制理论设计了位置跟踪环的模糊自整定PID控制器，实验结果表明，在3°/s时，系统偏航俯仰的跟踪精度分别为2.42mrad和2.05mrad。
最后，对半捷联光电稳定平台视线角速度进行了研究，结合目标视线偏差角，建立了稳定平台视线坐标系，并通过多级坐标变换，建立视线坐标系下的视线角速度模型，并根据视线角速度信号的组成，采用误差传播与合成原理，分析了陀螺测速误差、编码器测角误差和机械安装误差等因素对视线角速度精度的影响，并针对研制的半捷联光电稳定平台原理样机进行了视线角速度精度分析，其三个方向分量的精度分别为0.88mrad/s，3.8mrad/s和3.2mrad/s，为半捷联光电稳定平台的机械设计及主要测量器件的选择提供了理论依据。
Semi-strapdown stabilization method using the information of missile IMU toachieve the optical axis inertial stability, effectively solve the large bulk, heavy weightand high cost issues that existed in traditional gyro platform, and becomes the focus ofseeker technology development. This thesis has a central research on the principleprototype of semi-strapdown photo-electricity stabilized platform, includingkinematics, stable principle, dynamics, friction compensation, system overall stability,matched filtering, velocity measured, control algorithm and LOS rate.
First, based on the theory of spatial mechanisms, according to the structure of thesemi-strapdown photo-electricity stabilized platform, the spatial coordinatetransformation is used to compute the command angle for stabilization. The stabilityequation of optical axis in the inertial space is established. Compared with theprinciple of direct and semi-strapdown stability, several kinds of control and gyroconfiguration are showed and the advantages and disadvantages are pointed out.Based on the analysis of kinematics, the principle of Newtonian mechanics and theEuler dynamic equations of a rigid body rotation are used to build the dynamicequation of semi-strapdown photo-electricity stabilized platform. Based on theprinciple prototype of semi-strapdown photo-electricity stabilized platform, theangular velocity and acceleration and the coupling torque between the framework areanalyzed by numerical simulation, basis for the development and design of controlsystem.
Furthermore, in order to improve the stability and tracking performance, theresearch including friction compensation, matched filtering, velocity measured andcontrol algorithm design is carried out. The friction compensation is based on thekulun-viscous friction model and the controller design is based on pole assignment.The disturbance observer is proposed to solve the problem of the friction model inactual engineering; the matched filtering is designed for the velocity measurement and gyro dynamical matching problem, the decoupling precision of missile disturbance isimproved; the tracking differentiator is used to measure the velocity of the framework;the lead-lag compensator is used in velocity stable loop, the isolation of yaw and pitchframework is5.97%and5.42%when the missile disturbance amplitude is1degreeand frequency is2Hz; the fuzzy PID controller is used in position track loop, thetracking precision of yaw and pitch is2.42mrad and2.05mrad when the trackingspeed is3°/s.
Last, the research of LOS rate of semi-strapdown photo-electricity stabilizedplatform is carried out. The LOS coordinate of semi-strapdown photo-electricitystabilized platform is established using LOS error angle. The LOS model under theLOS coordinate is raised using multi-coordinate transformation. Error propagationand synthesis principle is used to analyze the LOS rate accuracy including gyromeasurement error, encoder measurement error and machinery installation error. TheLOS rate of the principle prototype of semi-strapdown photo-electricity stabilizedplatform is analyzed, which is0.88mrad/s,3.8mrad/s and3.2mrad/s for three aspects,providing a theoretical basis for mechanical design and the choice of measurementdevice of semi-strapdown photo-electricity stabilized platform.
首先，基于空间机构学的理论，针对半捷联光电稳定平台结构，采用空间坐标旋转变换的方法，导出了稳定平台偏航俯仰方向的角增量，同时建立了光轴在惯性空间的稳定方程，并研究对比了直接稳定和半捷联稳定的原理，给出了不同稳定方式下的几种控制和陀螺配置方案，并比较了各方案的优缺点。在运动学分析的基础上，采用牛顿力学原理，以刚体转动的欧拉动力学方程为基础，得出了半捷联光电稳定平台的动力学方程，并以半捷联原理样机为研究对象，采用数值仿真的方式得出了偏航框和俯仰框在工作空间内的角速度、角加速度以及框架间的耦合力矩，为控制系统的开发与设计打了基础。
为了提高半捷联光电稳定平台的稳定跟踪性能，针对系统中摩擦补偿、匹配滤波、微分测速以及控制系统设计等方面进行了研究。采用了基于库伦-粘滞摩擦模型的补偿方式，并通过极点配置的方法设计控制器，鉴于实际工程中摩擦模型难以精确建立，提出了基于扰动观测器的摩擦补偿方案；针对测速环节与陀螺动态不匹配的问题，设计了匹配滤波器，提高了系统对弹体扰动的解耦精度；对框架角位置信号微分求取角速度进行了研究，采用了跟踪微分器的方法进行框架角速度估计；根据经典控制理论和现代控制理论的方法设计了速率稳定环和位置跟踪环的控制系统，通过超前滞后的补偿方法设计了速率稳定环的控制器，在弹体扰动幅值为1°频率为2Hz时，偏航和俯仰方向的隔离度分别为5.97%和5.42%；采用模糊控制理论设计了位置跟踪环的模糊自整定PID控制器，实验结果表明，在3°/s时，系统偏航俯仰的跟踪精度分别为2.42mrad和2.05mrad。
最后，对半捷联光电稳定平台视线角速度进行了研究，结合目标视线偏差角，建立了稳定平台视线坐标系，并通过多级坐标变换，建立视线坐标系下的视线角速度模型，并根据视线角速度信号的组成，采用误差传播与合成原理，分析了陀螺测速误差、编码器测角误差和机械安装误差等因素对视线角速度精度的影响，并针对研制的半捷联光电稳定平台原理样机进行了视线角速度精度分析，其三个方向分量的精度分别为0.88mrad/s，3.8mrad/s和3.2mrad/s，为半捷联光电稳定平台的机械设计及主要测量器件的选择提供了理论依据。
Semi-strapdown stabilization method using the information of missile IMU toachieve the optical axis inertial stability, effectively solve the large bulk, heavy weightand high cost issues that existed in traditional gyro platform, and becomes the focus ofseeker technology development. This thesis has a central research on the principleprototype of semi-strapdown photo-electricity stabilized platform, includingkinematics, stable principle, dynamics, friction compensation, system overall stability,matched filtering, velocity measured, control algorithm and LOS rate.
First, based on the theory of spatial mechanisms, according to the structure of thesemi-strapdown photo-electricity stabilized platform, the spatial coordinatetransformation is used to compute the command angle for stabilization. The stabilityequation of optical axis in the inertial space is established. Compared with theprinciple of direct and semi-strapdown stability, several kinds of control and gyroconfiguration are showed and the advantages and disadvantages are pointed out.Based on the analysis of kinematics, the principle of Newtonian mechanics and theEuler dynamic equations of a rigid body rotation are used to build the dynamicequation of semi-strapdown photo-electricity stabilized platform. Based on theprinciple prototype of semi-strapdown photo-electricity stabilized platform, theangular velocity and acceleration and the coupling torque between the framework areanalyzed by numerical simulation, basis for the development and design of controlsystem.
Furthermore, in order to improve the stability and tracking performance, theresearch including friction compensation, matched filtering, velocity measured andcontrol algorithm design is carried out. The friction compensation is based on thekulun-viscous friction model and the controller design is based on pole assignment.The disturbance observer is proposed to solve the problem of the friction model inactual engineering; the matched filtering is designed for the velocity measurement and gyro dynamical matching problem, the decoupling precision of missile disturbance isimproved; the tracking differentiator is used to measure the velocity of the framework;the lead-lag compensator is used in velocity stable loop, the isolation of yaw and pitchframework is5.97%and5.42%when the missile disturbance amplitude is1degreeand frequency is2Hz; the fuzzy PID controller is used in position track loop, thetracking precision of yaw and pitch is2.42mrad and2.05mrad when the trackingspeed is3°/s.
Last, the research of LOS rate of semi-strapdown photo-electricity stabilizedplatform is carried out. The LOS coordinate of semi-strapdown photo-electricitystabilized platform is established using LOS error angle. The LOS model under theLOS coordinate is raised using multi-coordinate transformation. Error propagationand synthesis principle is used to analyze the LOS rate accuracy including gyromeasurement error, encoder measurement error and machinery installation error. TheLOS rate of the principle prototype of semi-strapdown photo-electricity stabilizedplatform is analyzed, which is0.88mrad/s,3.8mrad/s and3.2mrad/s for three aspects,providing a theoretical basis for mechanical design and the choice of measurementdevice of semi-strapdown photo-electricity stabilized platform.
引文
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