双轴惯性稳定平台回路设计及去耦技术研究

论文摘要

航空、航天、航海和陆地车辆的导航与定位离不开惯性导航系统,而其中的平台稳定回路是精确导航的关键技术之一。在陀螺稳定平台中,因为陀螺两轴之间不正交,稳定回路存在轴间耦合关系,直接影响了惯导系统的工作性能。为了提高稳定平台的精度,就必须对其进行解耦。本文首先针对双轴惯性稳定平台系统,对国内外稳定回路及去耦技术的发展状况及应用前景进行介绍,提出稳定平台系统的主要技术指标。继而分析系统的各组成部分模型,在建立大系统模型的前提下对稳定回路各组成环节进行软硬件设计,并重点分析和设计了稳定回路的校正网络。之后,针对影响导航仪精度的温度因素,系统采用了二级温控、多路采集和分段控制相结合的方案,经过软硬件调试和实验,将导航仪温度稳定在要求的温度范围内,保障了导航仪的精度。在平台回路的调试过程中出现了周期性抖动现象,经分析是由陀螺仪轴间不正交耦合引起的,本文针对这种现象对系统进行耦合度评估,对挠性陀螺仪进行了基于传递函数模型的前置补偿解耦和基于状态空间模型的解耦理论分析,从理论上实现了输出解耦控制。继而从挠性陀螺仪的动态误差数学模型出发,提出了将自抗扰控制的思想应用于陀螺仪的动力解耦,并进行了基于跟踪微分器的交叉耦合控制,进而设计出自抗扰解耦控制器。之后基于前馈控制原理,采用基于自抗扰的解耦控制器对横摇角和偏航角的跟踪性能进行分析,与基于PID的解耦控制方法相比,其跟踪误差降低了两个数量级。最后,对此双轴惯性平台系统进行了调试和验证,结果表明,系统软硬件工作稳定可靠,稳定回路各组成环节,尤其是校正网络和温控模块的设计均满足惯性稳定平台系统对稳定回路提出的要求,达到了预定的目标。在对挠性陀螺仪进行解耦控制时,将自抗扰控制的思想应用于双轴惯性稳定平台系统,仿真和实验的结果证明了将基于自抗扰的解耦控制器应用于本系统的控制策略可行,相对于常用的基于PID的解耦控制方法,基于自抗扰的解耦控制器对不确定性因素引起的干扰力矩有较好的估计和补偿能力,体现了基于自抗扰的解耦控制器优越的控制效果和良好的控制品质,提高了系统的精度和稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外稳定回路及去耦技术的发展状况
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 稳定平台系统模型的建立与分析
• 2.1 稳定平台系统的主要技术指标
• 2.2 稳定平台系统的组成
• 2.3 系统各组成部分的模型建立
• 2.3.1 挠性陀螺仪
• 2.3.2 前置放大
• 2.3.3 带通滤波
• 2.3.4 相敏解调
• 2.3.5 低通滤波
• 2.3.6 校正网络
• 2.3.7 脉宽调制
• 2.3.8 力矩电机
• 2.4 惯性稳定平台回路系统模型的建立
• 2.5 本章小结
• 第3章 稳定平台回路设计
• 3.1 惯导平台稳定回路的性能指标
• 3.2 惯性稳定平台系统对稳定回路提出的要求
• 3.3 稳定平台回路各组成环节设计
• 3.3.1 前置放大环节设计
• 3.3.2 带通滤波环节设计
• 3.3.3 相敏解调环节设计
• 3.3.4 低通滤波环节设计
• 3.3.5 脉宽调制环节设计
• 3.3.6 校正网络和陀螺温控部分
• 3.4 校正网络的设计
• 3.4.1 串联超前校正
• 3.4.2 串联滞后校正及超前滞后校正
• 3.4.3 校正网络的电路实现
• 3.5 陀螺温控部分的设计
• 3.5.1 陀螺温控的设计思路
• 3.5.2 陀螺温控部分的硬件设计
• 3.5.3 陀螺温控部分的软件设计
• 3.5.4 陀螺温控部分的实验分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 挠性陀螺仪的解耦控制实现
• 4.1 耦合度分析
• 4.1.1 模块间关联程度分析
• 4.1.2 控制性能度量
• 4.2 基于传递函数模型的挠性陀螺仪前置补偿解耦
• 4.2.1 挠性陀螺仪前置补偿解耦
• 4.2.2 挠性陀螺仪模型的前置补偿解耦
• 4.3 基于状态空间模型的挠性陀螺仪解耦
• 4.3.1 基于状态空间模型的解耦控制
• 4.3.2 挠性陀螺仪状态空间模型的控制解耦
• 4.4 本章小结
• 第5章 自抗扰解耦控制器设计
• 5.1 基于PID的解耦控制
• 5.1.1 基于PID的解耦控制模型
• 5.1.2 基于PID的解耦控制Matlab仿真分析
• 5.2 自抗扰控制器
• 5.2.1 自抗扰控制器的组成
• 5.2.2 跟踪微分器
• 5.2.3 扩张状态观测器
• 5.2.4 自抗扰控制的优势
• 5.3 基于跟踪微分器的交叉耦合控制
• 5.3.1 跟踪微分器控制模型
• 5.3.2 基于跟踪微分器的交叉耦合控制Matlab仿真分析
• 5.4 基于自抗扰的解耦控制
• 5.4.1 基于自抗扰的解耦控制模型
• 5.4.2 基于自抗扰的解耦控制Matlab仿真分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录