摘 要:为了消除陀螺稳定平台系统中各框架间的非线性耦合影响,设计了一种滑模非线性解耦控制算法。分析了高精度三轴陀螺稳定平台框架间的非线性耦合特性,建立了系统的动力学模型。利用非线性微分几何方法对系统进行了输入输出解耦控制设计,结合模型跟踪滑模变结构控制方法消除了系统解耦控制中的非线性扰动因素。针对滑模控制中的抖动问题,设计了带有边界层的积分滑模控制器,有效减弱了控制器的抖振现象,提高了系统解耦精度。在某型号电视导引头稳定平台系统中测试表明了该解耦控制方法的有效性和可行性。同PID方法和不带边界层的滑模控制方法相比较,该解耦方法的解耦效果明显优于其他两种方法。
关键词:稳定平台;解耦;滑模控制
电视导引头陀螺稳定伺服平台通常由3个框架构成,当系统处于工作状态时,将会存在一种不确定的非线性耦合[1],这是由于3个框架的空间相对位置发生变化所产生的陀螺力矩作用以及各框架的转动惯量变化造成的。当速度和加速度较大时,各框架之间的耦合就比较严重,若不采取有效的解耦补偿措施将很难保证系统的精度和动态跟踪性能,严重时还会影响到系统的稳定性。所以在进行稳定平台控制系统设计时,必须考虑3个框
架之间的动力学耦合问题,采用有效的解耦控制方法,才能保证系统输出精确的跟踪目标输入信号,从而提高稳定平台的控制精度和动态性能。由于稳定平台系统模型的不确定性和外界干扰的影响,常规的解耦控制方法无法满足系统精度要求,而滑模变结构控制对系统未建模动态和外界扰动等因素具有很强的自适应鲁棒特性,因而非常适合应用于非线性对象的解耦控制。
本文以某型号电视导引头陀螺稳定平台为实验背景,详细分析了三轴陀螺平台系统模型,利用非线性微分几何方法对系统进行输入输出解耦,同时设计了带有边界层的模型跟踪积分滑模变结构控制器,在导引头稳定平台实际系统中测试表明,该控制方法能够购有效消除3个框架间的非线性耦合,提高了控制精度。
在系统工作时,内环框的转动受到中环和外环牵连速度的影响;中环框的转动受到外环和内环牵连速度的影响,其转动惯量受到内环的惯量耦合;外环框的转动受到内环和中环牵连速度的影响,其转动惯量受到内环和中环的惯量耦合。以上分析说明稳定平台控制系统存在着非线性耦合,尤其当平台的3个框架同时高速运动时,其耦合效应最为明显,因此设计中必须设法消除各轴系之间的非线性耦合,才能确保系统的高精度。
控制律的选择主要是保证滑模到达条件的成立,由于在实际系统应用中,系统存在时间滞后开关、空间滞后开关、系统惯性、系统延迟以及测量误差等因素,因此变结构控制在滑动模态下会产生高频抖振[6],这会严重影响控制的精确性。因此,控制信号的设计必须设法消除抖振。为了满足稳定平台解耦控制高精度的要求,本系统中设计了带有边界层的积分变结构控制律,其中,边界层可以有效消除变结构控制中的抖振现象.
实验装置为自行研制的某型号电视导引头,该电视导引系统主要由光学成像系统、电视跟踪器、伺服稳定平台、操控台等几部分构成。在机械结构上分为前后2个互相连接的独立舱段,前段是带有透明窗口的光学舱,其中安装有光学镜头、摄像机、三轴陀螺伺服稳定平台。后段就是放置各种信号发生、信号处理和驱动电路的电子舱。其中陀螺稳定平台采用液浮陀螺三轴整体稳定方式,每个轴系均由独立的力矩电机驱动,内框为方位轴系,中框为俯仰轴系,外框为横滚轴系,电视摄像头安装在内框架上。
三轴陀螺稳定平台各框架间的非线性耦合直接影响到系统的控制精度,因此要满足导引头高精度跟踪性能要求,必须在稳定平台系统中采用解耦控制。本文详细分析了三轴陀螺稳定平台系统中的非线性耦合特征,采用非线性微分几何和模型跟踪变结构控制方法实现了系统的输入输出解耦控制。在某型号导引头陀螺稳定平台系统实验中表明,该方法可以有效消除各框架间的耦合,提高系统的跟踪精度。
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