复合轴光电跟踪系统控制策略的研究

论文摘要

激光武器系统一般要求跟踪精度小于波束角的1／5～1／6，跟踪精度达到角秒级。在这样的高精度下，大气抖动等的影响将是不可忽略的，一般光电测量系统中的大惯量单轴跟踪架由于结构谐振频率的限制，不可能有足够的带宽对其进行校正，于是引入复合轴概念，即在大惯量机架上装一个高低方位均可微动的高带宽快速控制反射镜，构成主子系统的跟踪模式。子系统可以修正主系统的残余误差，从而实现角秒级的跟踪精度。 本文首先进行了复合轴基本理论的分析，阐述了复合轴提高跟踪精度的原理，论证了主子系统的带宽比对系统的影响，并得出结论，主子系统的带宽比越高，子系统克服主系统残余误差的能力越强，复合轴系统的跟踪精度越高。以此为中心本文展开了主子系统的设计。 针对主系统，本文分析了各种噪声源及其与主系统带宽的关系，并据此完成了对主系统控制参数的设计。针对传统控制方式在低带宽下跟踪误差大、稳性差的缺陷，本文提出了在主系统采用等效复合控制和同轴跟踪，在0.5Hz带宽下实现对速度加速度分别为30°／s和10°／s~2目标跟踪误差小于18的平稳跟踪，并同时降低主系统产生的高频随机噪声的控制方案。介绍了等效复合控制和同轴跟踪的基本原理及其关键技术——卡尔曼滤波预测技术，并专门针对极坐标下卡尔曼滤波技术的相关问题，如状态变量和初值的选择、目标运动模型、系统噪声和量测噪声的统计特性、滤波器稳定性等进行了详细的分析。建立了等效复合控制和同轴跟踪的仿真模型，详细论述了卡尔曼预测误差对系统稳定性和控制精度的影响、两种控制系统随机噪声的变化，并通过仿真验证了两种方案对提高跟踪精度和降低主系统噪声的有效性。 针对子系统，分析了子系统带宽的限制因素，在充分保证子系统稳定性的基础上完成了子系统的设计。分析了子系统对随机误差的抑制能力，并进行了仿真验证。 最后对本文提出的理论和方法进行了实验研究，实际证明了本论文理论分析的正确性和工程应用的价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 激光武器系统简介
• 1.2 复合轴系统概述
• 1.3 国内外复合轴技术在激光武器系统上的应用概况
• 1.4 快速控制反射镜简介
• 1.5 用于光电跟踪设备的先进控制策略概述
• 1.5.1 同轴跟踪与等效复合控制
• 1.5.2 速度滞后补偿与加速度滞后补偿
• 1.5.3 动态高型控制方法
• 1.6 预测滤波技术概述
• 1.7 本论文主要内容及其意义
• 第二章 复合轴系统的基本理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 多变量控制系统
• 2.3 二维关联控制系统
• 2.4 复合轴系统提高跟踪精度的原因
• 2.5 主子系统带宽比对系统的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 主系统控制策略研究
• 3.1 引言
• 3.2 复合控制及等效复合控制技术的基本原
• 3.3 同轴跟踪的基本思想
• 3.4 主系统的几种主要随机噪声分析
• 3.4.1 力矩波动引起的随机噪声
• 3.4.2 脱靶量噪声
• 3.4.3 编码器噪声
• 3.5 离散卡尔曼滤波器基本方程
• 3.6 机动目标的运动模型
• 3.6.1 机动目标的导数多项式运动模型
• 3.6.2 机动目标的随机加速度模型
• 3.6.3 机动目标的当前统计模型
• 3.7 自适应卡尔曼滤波
• 3.8 极坐标下的卡尔曼滤波
• 3.8.1 状态变量的选取及其观测矩阵和噪声转移矩阵
• 3.8.2 目标运动模型的选择
• 3.8.3 滤波初值的选取
• 3.8.4 系统噪声和量测噪声的统计特性
• 3.8.5 卡尔曼滤波器的稳定性
• 3.8.5.1 一致稳定的定义
• 3.8.5.2 卡尔曼滤波器的一致稳定性判别
• 3.8.5.3 一致完全随机可控和一致完全随机可观测的判别
• 3.8.5.4 前述三种模型下的卡尔曼滤波器的稳定性
• 3.9 主系统参数设计及其带宽与输出噪声的关系
• 3.9.1 系统闭环带宽与输出噪声的关系
• 3.9.1.1 直流电机的数学模型
• 3.9.1.2 系统闭环带宽与力矩波动的关系
• 3.9.1.3 系统闭环带宽与脱靶量噪声的关系
• 3.9.2 主系统带宽与输出噪声之间关系的综合分析
• 3.9.3 主子系统带宽比与复合轴跟踪精度定量关系的公式推导
• 3.9.4 主系统带宽的确定
• 3.9.5 主系统参数设计
• 3.9.5.1 速度回路设计
• 3.9.5.2 位置回路设计
• 3.10 同轴跟踪及等效复合控制系统的构建
• 3.10.1 位置合成及脱靶量滞后的处理
• 3.10.2 同轴跟踪及等效复合控制系统的仿真模型
• 3.11 仿真试验结果与分析
• 3.11.1 卡尔曼滤波器对速度和位置量的估计精度
• 3.11.2 卡尔曼滤波器预测误差对跟踪精度及稳定性的影响分析
• 3.11.3 同轴跟踪与等效复合控制系统的跟踪精度仿真
• 3.11.4 低帧频电视采样频率下同轴跟踪与等效复合控制系统的跟踪精度仿真
• 3.11.5 同轴跟踪、等效复合控制系统的随机跟踪误差仿真与分析
• 3.12 复合控制系统的记忆跟踪
• 3.13 本章小结
• 第四章 子系统控制策略研究
• 4.1 子系统带宽与复合轴跟踪精度的关系
• 4.2 子系统带宽的限制因素分析
• 4.2.1 机械谐振频率对子系统带宽的限制作用分析
• 4.2.2 电视采样频率对子系统带宽的限制作用分析
• 4.3 子系统频率特性的测试
• 4.4 子系统参数设计
• 4.4.1 速度回路设计
• 4.4.2 位置回路设计
• 4.5 子系统噪声抑制能力分析
• 4.6 子系统随机误差抑制能力仿真
• 4.7 本章小结
• 第五章 复合轴控制系统试验结果
• 5.1 变带宽捕获过程试验
• 5.2 等效复合控制系统试验结果
• 5.3 同轴跟踪系统跟踪精度试验结果
• 5.4 等效复合控制系统在低电视采样频率下的跟踪试验结果
• 5.5 子系统跟踪试验结果
• 5.5.1 子系统物理试验环境
• 5.5.2 子系统位置反馈元件
• 5.5.3 子系统控制器
• 5.5.4 试验结果
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 参考文献
• 补遗