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动基座下光电经纬仪视轴稳定控制方法研究
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摘要
动基座下光电经纬仪在对目标进行跟踪测量时,视轴受到载体运动干扰、摩擦力矩干扰和跟踪架质量不平衡等不同的外部干扰,使视轴偏离原来的指向,甚至丢失目标。视轴稳定控制是要隔离载体运动对视轴的扰动,克服各种干扰力矩对于视轴的影响,保证视轴在惯性空间的稳定指向。视轴稳定控制是进行跟踪测量的基础,是动基座下光电跟踪测量系统的一项关键技术。
     本文分析了视轴稳定系统的结构,研究了主要构成部分的特点,根据视轴伺服系统的结构和陀螺安装位置,通过坐标变换的方法建立了视轴稳定隔离方程。分析了力矩电机及负载、陀螺仪、图像处理器等伺服控制系统相关的部分的数学模型,建立整个控制对象的数学模型。
     本文对于视轴稳定速度环采用了双速度环的控制结构,由陀螺测得的视轴相对于惯性空间的速度构成视轴稳定内环,其主要作用是消除载体运动扰动和摩擦力矩扰动,实现视轴稳定。由编码器测得的视轴相对于经纬仪框架的转动速度构成速度跟踪外环,主要用于跟踪目标运动。讨论了双速度环的抗干扰性、动态响应性能和鲁棒性。从控制策略上引入鲁棒控制理论对控制器进行设计,保证了闭环控制系统的稳定性和鲁棒性。
     本文对于动基座下视轴稳定控制系统的位置回路进行研究。电视自动跟踪时,由于伺服系统接收到的图像处理器发送的脱靶量相对于目标实际位置有延时,延时时间的存在限制了伺服系统位置回路的带宽设计,影响了跟踪控制系统的快速响应性,降低了系统的稳态跟踪精度和跟踪稳定性。本文采用了基于机动目标模型的Kalman滤波方法对目标位置进行滤波和预测,并用滤波预测得到的目标的位置和速度构成了前馈控制,改善了系统的跟踪控制精度,同时在目标初始跟踪阶段采用了变结构控制方法,使系统可以快速的做出反应,快速进入稳定跟踪阶段。
     本文最后将某型号光电跟踪测量系统置于三维摇摆台上对所提出的理论进行实验。通过仿真和试验结果的分析,采用的鲁棒H∞控制方法在抵抗载体运动干扰及抑制系统对象模型的不确定性对系统动态特性的影响方面有较大的优势,实验结果验证了这种方法的有效性。
When Optical-electric equipment is tracking and measuring target on movingbase, the LOS is interfered by external disturbances, such as moving basedisturbance,unbalanced friction torque and unbalance mass of mechanical structureand so on. So that the LOS will deviate from the original direction, even lost thetarget. We should isolate LOS from moving base, overcome the impact ofdisturbance torque on LOS. It is foundation of tracking and measuring that keep theLOS stably direction in inertial space. It is a key technology of the optical trackingsystem on moving base.
     This paper analyzes the structure of the LOS stabilization system, studies thecharacteristics of the main components, analyzes mathematical model of torquemotor and load, gyro, image processors and other parts associated to servo controlsystem. So establish mathematical model of entire system. The paper establish LOSisolation equations by coordinate transformation, according to the structure of theLOS stabilization system and position of gyro.
     The paper introduces double speed loop in the speed loop of LOS stabilization.The inner speed loop is formed by the speed of LOS in the inertial space by gyro. Itis used for eliminating carrier disturbance and friction torque disturbance, achievingthe LOS stability. The outer speed loop is formed by the encoder, it is used for measuring the speed of the theodolite frame. The outer loop is used for trackingtarget. The paper Discuss the performance of double speed loops onanti-interference, dynamic response and robustness. It adopts robust control theoryon designing controller to ensure the stability and robustness of the closed-loopcontrol system.
     The paper designs the position loop of LOS stably control system on movingcarrier. On TV automatic tracking mode, servo control system receives the off-targrtis postponed relative to the true target position. The delay time limits the bandwidthof the position loop in designing servo system, reduces the rapid response of thetracking control system, and impacts the accuracy and stability of the system. Thepaper induces Kalman filtering method in the position filter and prediction, base onmaneuvering target model, and constitutes feedforward control by the filter andprediction position and speed. It improved tracking control accuracy of the system.On the beginning of tracking stage, introduce the variable structure control method,the system can respond quickly and turn to the stable tracking stage quickly.
     Finally, the theory is verified on some Optical-electric tracking and measuringsystem, placed on a three-dimensional rock platform. Analyze through simulationand experimental results, the methods possess greater advantage on resisting carriermovement and restraining model uncertainties influence to the dynamiccharacteristics of the system. The experimental results demonstrate the effectivenessof this approach.
引文
[1]陆元九,朱敬仁,惯性器件[M],北京:宇航出版社,1991.
    [2] Rick Walter, Harrison Danny, Jed Donaldson, etc. Stabilized InertialMeasurement System (SIMS)[C].Proceedings of SPIE,2002,4724:57-68.
    [3] Donald Ruffatto, Donald Brown, Richard Pohle, etc. Stabilized High-AccuracyOptical Tracking System(SHOTS)[C].Proceedings of SPIE,2001,4365:10-18.
    [4]贾平,张葆.航空光电侦察平台关键技术及其发展[J].光学精密工程,2003,11(1):82-88.
    [5]陀螺稳定光电跟踪平台伺服控制系统研究[D].博士论文2006,
    [6]郭富强,于波,汪叔化.陀螺稳定装置及其应用[M].西安:西北工业大学出版社,1995.
    [7]黄勇,航母光电着舰引导系统[J],现代舰船,1995.6:35-37
    [8]罗护,范大鹏,张智勇等,两轴两轴陀螺稳定系统中陀螺安装的几种方法[J],兵工学报,2005.Vol.26No.3:426-427
    [9]王晓军,贾继强,王俊善,机载三轴稳定平台跟踪方法研究与仿真[J],计算机仿真,2008.5,Vol25No5:51-54
    [10]毕永利,刘洵,葛文奇等,机载多框架陀螺稳定平台速度稳定环设计[J],光电工程,2004.2,Vol32No2:16-18
    [11]吕春苗,史泽林,王洪福陀螺稳像平台滑模变结构控制的优化设计信息与控制2007.10Vol36.No5:639-642
    [12]王合龙,朱培申,姜世发,陀螺稳定平台框架伺服系统变结构控制器的设计和仿真[J],电光与控制,1998,70(2):24-29.
    [13]杨蒲,李奇,陀螺稳定平台自适应分层滑模速度控制[J],兵工学报,2008.7Vol29No7:864-869
    [14]姬伟,李奇,自适应模糊PID控制器在跟踪器瞄准线稳定系统中的应用[J],控制理论与应用,2008.4,Vol25No2:278-282
    [15]姬伟.陀螺稳定光电跟踪平台伺服控制系统研究[D]:[博士学位论文].南京:东南大学,2006
    [16]王连明,葛文奇,谢慕君,陀螺稳定平台速度环的一种神经网络自适应控制方法[J].光电工程,2001,28(4):9-12.
    [17] Bryson S. Effects of Lag and Frame Rate on Various Tracking Tasks[C]. SPIE,1993,1915:155-166.
    [18]王连明,葛文奇,李杰,跟踪系统中跟踪器延迟的自适应预测补偿方法[J].光电工程,2002,29(4):13-16.
    [19] Zhang Hongye,Wei Wuzhong,Cai Yingzhen. Predictive Control ofOptoelectronic Tracking System[J].Journal of Beijing Institute of Technology,1999,8(3):270-275.
    [20]赵金宇,李文军,连远锋.电视跟踪系统脱靶量动态滞后误差的修正[J].电光与控制,2004,11(3):20-22.
    [21] James Downs,Steve Smith,Jim S,etc.High Performance Gimbal Control forSelf-protection Weapon Systems[C].SPIE Conference on Acquisition,Tracking andPointing XII,1998,3365:77-86.
    [22]许波,姬伟,基于鲁棒H滤波的光电跟踪机动目标状态预测估计[J],光电工程,2008.1,Vol35(1):5-9
    [23]赵志诚,贾彦斌等,光电跟踪系统内模控制器的设计光电工程,2005.1,Vol32(1):27-32
    [24]冯培业,董宁,张宇河,天地景投影伺服系统控制算法的改进[J].北京理工大学学报,2002,22(3):351-354.
    [25]卢广山,姜长生,张宏,机载光电跟踪系统模糊控制的优化设计与仿真[J].航空学报,2002,23(1):85-87.
    [26]黄显林,尹航,王永富,高精度陀螺稳定跟踪系统神经网络预测控制[J],系统工程与电子技术,2000,Vol122,No112:63-65
    [27] R A Singer,K W Benhke.Real-time Tracking Filter Evaluation and Selection forTactical Application[J].IEEE Transaction on Aerospace and ElectronicSystems,1991,AES-7:100-110.
    [28]陈娟.光电经纬仪数字化伺服控制技术,长春光机所内部讲义.
    [29]赵学颜,李迎春.靶场光学测量[M].北京:装备指挥技术学院,2000.34-36
    [30]瞿元新,航天测量船测控通信设备船摇稳定技术[M].北京:国防工业出版社,2009.9-14
    [31]薛海中,飞机着舰引导及监视系统技术[M].郑州:河南科学技术出版社,2009.5-6
    [32]韩根甲,舰载红外搜索与跟踪系统的最新现状与发展趋势[J].现代防御技术,2007,35(3):109-112
    [33]邹东明,应用压电陀螺的舰载电视跟踪仪视轴稳定问题研究[D]:[硕士学位论文].长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2003
    [34]马利伟,基于光纤陀螺的光电平台稳定控制研究[D]:[硕士学位论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007
    [35]蔡立华,基于陀螺的舰载光电经纬仪视轴稳定技术研究[D]:[博士学位论文].长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2011
    [36]王凤英,船载电视跟踪仪自稳定问题研究[D]:[硕士学位论文].大连:大连海事大学,2005
    [37]李文军,陈涛,基于Kalman滤波器的等效复合控制技术研究[J].光学精密工程,2006,14(2):279-284
    [38]张显库,贾欣乐,一种简化的H∞控制混合灵敏度算法.控制理论与应用.2001,18(2)
    [39]申铁龙.H∞控制理论及应用.北京:清华大学出版社,1996
    [40]吴旭东,解学书.H∞鲁棒控制中的加权选择.清华大学学报(自然科学版),1997,37(1):27-30
    [41] M.Saki. H∞/LTR Procedure with Specified Degree of Recovery.Automatic,1992,28(3):509-517
    [42] D. McFarlane, K. Glover. A Loop Shaping Design Procedure UsingSynthesis.IEEE Trans Automatic Control,1992,37(6):759-769
    [43] R.A.Hyde,K.Glover.The Application of Scheduled H∞Controllers to aVSTOL Aircraft.IEEE Trans on Automatic Control,1993,38(7):1021-1039
    [44] D.J.Walker.On the Structure of a Two-of-Freedom H∞Loop ShapingController Int.J.Control,1996,63(6):1105-1127
    [45] J.A.R.Krishna Moorty,Rajeev Marathe,V.R.Sule’.H∞Control Law forLine-of-sight Stabilization for MobilL and Vehicles[J]. Optical Engineering,2002,41(11):2935-2944
    [46] J.C.Doyle.A Review of μ for Case Studies in Robust Control.Reprints ofIFAC10th Triennial World Congress,Munich,FRG,1987:365-372
    [47] G.Stein,J.C.Doyle.Beyond Singular Values and Loop Shapes.AIAAJ.Guidence,Contr,and Dynamics,1991,14(1):5-16
    [48]黄曼磊,鲁棒控制理论及应用[M],哈尔滨工业大学出版社,2007.1
    [49] SHEIMY E N,Hou Haiying,NIU Xiaoji. Analysis and modeling of inertialsensors using allan variance [J].IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement,2008,57(1):140-148
    [50]赵侃,漆德宁.基于采样的非线性滤波算法比较[J].舰船电子工程,2012,32(1):31~33
    [51] Zhao Huibo, Pan Quan. PF-UKF_RJMCM approaches for radar target-tracking[J]. International Conference on Information Technology and Computer Science,2009:273-374
    [52] Leven W F,Lanteran A D. Unscented Kalman filters for multiple target-trackingwith symmetric measurement equations [J]. IEEE Transactions on Automatic Control,2009,54(2):370~375J.A.R.Krishna Moorty, H∞control law for line-of-sight stabilization for mobile landvehicles,Optical Engineering, Vol.41No.11, November2002
    [53]王建立.光电经纬仪电视跟踪、捕获快速运动目标技术的研究[D]:[博士学位论文].长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2002
    [54]蒋大明,戴胜华.自动控制原理[M].北京:清华大学出版社,2003.181-183
    [55]李焱,陈长青,陈涛.舰载光电跟踪系统全自动低空控制算法[J].仪器仪表学报,2010,31(2):318-324
    [56]马东玺,范大鹏,朱华征.光电跟踪系统捕获跟踪切换的平滑调节方法[J].红外与激光工程,2010,34(6)::1129~1131
    [57]赵星,李明,吴顺君.混合坐标系下的自适应α-β滤波器[J].火控雷达技术,2005,34(3):13-16
    [58]郑岩,谭庆昌,王树范.车载火控系统自动跟踪的卡尔曼滤波[J].红外与激光工程,2010,39(2):346-351
    [59]杨柳.改进卡尔曼滤波的目标跟踪研究[J].计算机仿真,2010(9):351~355
    [60]王秋平,左玲,康顺.光电跟踪系统非线性新息自适应卡尔曼滤波算法[J].光电工程,2011(2):9-13
    [61]黄勇,陈建华.基于数据融合的红外目标识别[J].光电工程,2007,34(8):10-14
    [62]杨万海.多传感器数据融合及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.57-58
    [63]万山明. TMS320F281xDSP原理及应用实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.20-25
    [64]李树昌,周学仕,赵永刚.基于FPGA的跟踪控制器在光电经纬仪中的应用[J].计算机测量与控制,2010,18(9):2170-2172
    [65]秦继荣,沈安俊.现代直流伺服控制技术及其系统设计[M].北京:机械工业出版社,2000.45-48
    [66]李博,王伟娜,唐杰.新型光学动态靶标模拟空间目标研究[J].工程设计学报,2008,15(3):201-205
    [67]林建洪,周扬忠.基于DSP的永磁同步电机伺服控制系统设计[J].电力电子技术,2012,46(1):79-82
    [68]刘军,傲然,韩海云等,永磁同步电动机伺服系统电流环优化设计[J].微特电机,2012(6):17-19
    [69]王沫然,陈怀琛,Simulink4建模及动态仿真[M],北京:电子工业出版社.2002
    [70]薛定宇,反馈控制系统设计与分析-MATLAB语言应用[M],北京:清华大学出版社.2000
    [71]薛定宇著,控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言及应用[M],北京:清华大学出版社,1996年
    [72]王中华,覃征,韩毅.基于UKF的双平台无源融合跟踪方法[J].系统仿真学报,2007(19):4477-4481
    [73] B.C.Chang,S.S.Band,T.E.Mcqude.Fast Iterative Computation ofOptimal Two Block H∞-Norm[J].IEEE Trans,Automatic Control,1989,34(7):738-742
    [74]王耀南,智能控制系统-模糊逻辑·专家系统·神经网络控制[M],长沙:湖南大学出版社.1996
    [75]王永初,滞后过程的预估与控制[M].北京:机械工业出版社,1987
    [76]曾鸣,刘胜利,基于鲁棒稳定的转台伺服控制系统设计[J],中国机械工程,2001,12(4):420-424
    [77]申逸,Kalman滤波技术在目标跟踪中的应用研究[D],国防科技大学硕士论文,2006..
    [78]王进华,混合H2H∞鲁棒控制理论及应用研究[M],西北工业大学博士论文,2000
    [79]王曦,曾庆福.频域不确定性系统加权混合灵敏度函数频域整形[J],航空学报.1999,20(4):358-361
    [80]曾鸣,张东纯等,精密测试转台控制系统研究[J],哈尔滨理工大学学报.1999.4(3):65-71
    [81] M.G.Safonov,D.J.N.Limebeer,R.Y.Chiang.Simplifying the H∞Theory via Loop-Shifting[J], Matrix-Pencil and DescriptorConcepts.Int.J.Contr.1989,50(6):2467-2488
    [82] K.Glover,J.C.Doyle.State-Space Formulate for all Stabilizing ControllersThat Satisfy an H∞-Norm Bound and Relations to Risk Sensitiyity[J].Syst.&Contr.Lett,1988,11(1):67-172
    [83]刘植桢,郭木河,何克忠,计算机控制[M],北京:清华大学出版,1981
    [84]秦继荣,沈安俊.现代直流伺服控制技术及其系统设计[M],北京:机械工业出版社,1999
    [85]郭文艳,韩崇昭,连峰.基于平方根UKF的多传感器融合跟踪[J].系统仿真学报,2008(12):3237-324
    [86]高宏昌,机载电视瞄准线稳定系统仿真研究与实施[J],电光与控制.1992,47(3):33-36
    [87]郭秀中.惯性系统陀螺仪理论[D],北京:国防工业出版社.1996
    [88]王合龙,朱培申等,陀螺稳定平台框架伺服系统变结构控制器的设计和仿真[J],电光与控制,1998,70(2):24-29
    [89]郭富强,于波,汪叔华,陀螺稳定装置及其应用[J],西安:西北工业大学出版社,1995
    [90] Willian J.Bigley,Steven P.Tsao.Optimal Motion Stabilization Control of anElectro-Optical Sight System[J].SPIE.Acquisition,Tracking,and Pointing
    [91] A.K.Rue.Stabilization of Precision Electro-optical Pointing and TrackingSystems[J].IEEE Trans.On Aerospace and Electronic Systems.1969,5(5):805-819
    [92] Jayesh Amin.Implementation of a Friction Estimation and CompensationTechnique[J].IEEE Trans.on Control Systems,1997,8
    [93]谢慕君.激光吊舱测试转台控制系统设计.长春光学精密机械与物理研究所博士后研究工作报告.2003
    [94]刘胜,彭侠夫,现代伺服系统设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社.2001
    [95]胡寿松,自动控制原理[M],北京:国防工业出版社,1984
    [96]陈伯时,电力拖动自动控制系统[M],机械工业出版社,1991
    [97]马佳光,捕获跟踪与瞄准系统的基本技术问题[J],光学工程,1989,81(3):1-41
    [98]马佳光,复合控制及等效复合控制原理及应用[J],光学工程,1988,77(5):1-16
    [99]傅承毓,马佳光等,复合轴控制系统应用研究[J],光电工程,1998,25(4)
    [100]马佳光,尹义林,778光电经纬仪跟踪控制系统[J],光学工程,1986,61(1):50-60
    [101]Alberto Isidori,Lorenzo Marconi,Andrea Serrani.Robust Autonomous Guidancean Internal Model Approach[M].London:Springer-Verlag,2003.
    [102]Slobodan N,Vukosavic,Suppression of Torsional Oscillations in aHigh-Performance Speed servo Drive[J],IEEE Trans.on Industry Electronics,1998,45(14)
    [103]席裕庚,预测控制[M],北京:国防科技出版社,1993.
    [104]李洁,机(舰)_载目标真值测量设备伺服控制系统的研究[D],中科院博士学位论文,2002
    [105]G.Zames.Feedback and Otimal Sensitivity:Model Reference Transformations,Multiplicative Senminorms,, and Approximate Inverses[J]. IEEE Trans. OnAutomatic Control.1981,26(2):301-320
    [106]James Downs, Steve Smith. High Performance Gimbal Control forSelf-Protection Weapon Systems[J].SPIE.1998,3365:77-86
    [107]J.M.Hilkert,David A.Hullender.Adaptive Control System Techniques Appliedto Inertial Stabilization Systems[J].SPIE,1990:1304
    [108]董岩,基于神经网络的机载三周稳定平台控制系统算法应用研究[D],长春光机所博士论文,2011.
    [109]Marcelo C.Algrain,Douglas E.Ehlers.Suppression of Gyroscope Noise Effectin Pointing and Tracking System[J].SPIE,1994
    [110]Shreenath Shetty, A Multisensor Tracking System With an Image-BasedManeuver Detector[J].IEEE Trans.On Aerospace and Electronic Systems,1996,32
    [111]G.Zames and B.A.Francis.Feedback Minimax Sensitivity and OptimalRobustness[J].IEEE Trans.On Automatic Control.1983,28(5):585-601
    [112]王建宏,基于先进辨识的控制策略研究及其应用[D],南京航空航天大学博士学位论文,2011.
    [113]J.C.Doyle,K.Glover,P.Khargonekar,B.Francis.State-Space Solutionto Standard H2and H∞Control Problems.Proc.ACC,Atanta,GA,1988:1691-1696
    [114]王合龙,朱培申,姜世发,陀螺稳定平台框架伺服系统变结构控制器的设计和仿真[J],电光与控制,1998,2.
    [115]戴瑞金,吴敏,吴学军,基于神经网络的机动目标跟踪模糊Kalman滤波算法[J],信息技术,2008(4):57-59
    [116]刘磊,光电平台中LQ控制方法研究[D],长春光机所博士论文,2013
    [117]Kichul Hong,Kwanghee Nam.A Load Torque Compensation Scheme Under theSpeed Measurement Delay[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics,1998,45(2):283-290.

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