李敏行[1]2001年在《非线性控制理论在叁轴转台姿态控制中的应用》文中研究说明非线性控制理论在三轴转台姿态控制中的应用
柏杰锋[2]2008年在《基于组合测量的弹箭图像末修技术》文中研究说明为提高单兵武器对目标的打击精度和我方人员在战场上的生存概率,本文以单兵火箭弹为平台,研究了基于组合测量的弹箭图像末修技术。基于组合测量的弹箭图像末修技术以弹载CCD为目标探测器,利用地磁计和MEMS陀螺组合测量弹丸姿态,由微处理计算弹道偏差,并在弹道末段对弹丸进行脉冲修正。该技术不但可以用于单兵火箭弹,还可以用于其它野战火箭弹及各种炮兵弹药上。本文的主要研究内容有:1.以单兵火箭为研究背景,详细阐述了基于组合测量的图像末修弹药的系统组成和工作原理。通过对系统的叁个关键子系统进行分析,重点研究了图像测量系统的目标测量原理、测量精度和姿态测量系统中的MEMS陀螺误差补偿方法。根据单兵火箭的运动特点,建立了适用于快速、准确计算的质点弹道方程和带修正的4自由度弹道方程。利用Simulink和6自由度弹道方程对某型单兵火箭弹进行了外弹道模型仿真。2.研究了利用CCD测量弹目相对位置的方法。根据弹丸运动方程和CCD成像特点,建立了弹丸运动时弹目相对运动方程和目标点在CCD上的成像轨迹方程;研究了利用CCD测量目标相对位置的估测方法,同时设计了利用单个CCD测量弹目相对位置的方法;分析了由于弹丸旋转对弹目测量所造成的误差;对各模型进行了Matlab仿真及转台实验验证。仿真及实验结果表明,利用文中模型可在一定条件下较准确测量弹目相对位置,但测量精度受姿态及基线距离测量精度的影响较大。3.研究了组合测量弹丸姿态的方法。针对单兵武器平台的弹丸运动特点,结合地磁矢量在弹体坐标系内的投影规律,利用椭圆拟合方法,建立了计算弹丸运动条件下的姿态角模型;通过引入中位数和修正系数,将中位法、UKF和椭圆理论相结合,提出了改进的椭圆参数拟合方法,提高了在奇异值干扰下的弹丸滚转角计算精度;设计了基于伺服稳定平台的弹丸姿态角测量方法;利用叁轴地磁计和MEMS陀螺组成磁-陀螺系统,建立了组合测量模型,并进行了转台仿真实验。从对实验数据的处理结果可以得出:利用椭圆理论计算弹丸滚转角能得到较好的精度,而且实用性很强,但计算其余两姿态角的精度不高;磁-陀螺测量系统可互补磁强计和陀螺测量中的不足,测量弹丸姿态能得到较高的精度。4.以验证组合测量弹目相对位置模型为目的,设计了弹载测试系统和实验方案,并完成了用弹载测试系统组合测量弹目相对方位和弹丸姿态的原理性演示飞行实验。实验结果表明,本次实验较成功的测得了弹丸的姿态角和目标相对弹丸方位的变化规律,测量结果与文中仿真结果比较接近。5.研究了基于单兵火箭平台的修正策略。利用前文测量方法计算求取弹目相对偏差作为弹道修正量,将修正量分为距离偏差和角度偏差分别求取;根据某型脉冲发动机和单兵火箭运动特点,建立了弹道修正过程中的弹道变化模型;利用最优控制理论和弹道修正量,设计了以冲量为最优控制量的距离偏差、角度偏差的修正律;分析了修正过程中弹丸转速对修正的影响,提出了使弹丸保持稳定的方法,并计算出了本文修正方案的修正效率;最后设计了脉冲修正点火方案;并进行了仿真计算和转台实验进行验证。
杜智超[3]2016年在《伺服系统滑模控制与干扰抑制》文中提出随着伺服系统在国防、工业等领域的广泛应用,其鲁棒性和控制精度要求不断提高,对控制算法的研究也日益重要。本文开展了伺服系统滑模控制和干扰抑制问题的研究,以伺服系统两种常用执行机构:永磁同步电机和直流电机为被控对象。结合迭代学习和解耦方法,针对伺服系统中存在的干扰和鲁棒性问题,开展了滑模变结构控制算法的研究,并在控制力矩陀螺外框架和叁轴转台伺服系统实际工程中应用。为了提高永磁同步电机伺服系统的控制性能,增强其鲁棒性,研究了PI型自适应增益时变滑模控制算法。采用积分型的滑模面保证系统对整个运行过程中误差的抑制。改进传统时变滑模的时变项,增强了系统的全局鲁棒性。采用自适应切换增益,减轻了系统抖振。在MATLAB中搭建仿真平台,进行仿真验证。在直流电机伺服系统中进行迭代滑模复合控制算法研究。设计了迭代学习和PID并联位置控制器,设计了滑模速度控制器,使系统控制器兼具有迭代学习高精度跟踪和滑模控制强鲁棒性的特点。在MATLAB中进行了仿真研究。搭建了控制力矩陀螺外框架伺服系统实验平台,在PI型自适应增益时变滑模控制器基础上设计了基于数学模型补偿的控制器。在实验平台上完成PI型自适应增益时变滑模控制和数学模型补偿算法的实验验证。研究叁轴转台伺服系统框架间耦合干扰的解耦策略。证明系统可解耦,设计基于逆系统的解耦控制算法,将系统解耦为叁个单自由度伪线性子系统。对所用解耦算法进行仿真研究。在叁轴转台实验平台实现了迭代滑模复合控制算法,实验结果验证了其有效性。
张文瑞[4]2017年在《基于MEMS传感器的物体运动参数解算误差分析及传感器适用性研究》文中提出MEMS传感器价格低廉、尺寸小、质量轻,在电子消费产品等领域应用广泛。但其缺点是精度低,稳定性差,限制了其应用范围。传感器本身制造工艺以及长时间的积分累积误差和陀螺漂移的存在等因素,使得MEMS传感器在测量方法精度无法满足要求。如何使用此类MEMS传感器,如何提高传感器精度及误差分析补偿是本文的主要研究目标。实验中使用的MEMS传感器是集叁轴加速度计和叁轴陀螺于一体、低成本和低精度的数字传感器。为初步探究传感器性能,提高传感器测量精度,运用实验加仿真的方式对比分析该问题。在完备的数字采集系统和成熟的轨迹解算方法的前提下,本文首先进行了转台画圆实验,通过描绘运动轨迹,与已知圆轨迹对比分析,初步了解该传感器的性能。用MATLAB仿真还原转台实验过程,用同样的解算方法得到了圆的轨迹。仿真结果表明了该算法是正确的;同时对比实验结果,发现该传感器无法在长时间内准确测量运动体的位置信息。在算法正确的前提下,提高传感器测量数据的准确性。对于传感器本身,由于批量化生产,厂家给出统一的技术指标。其次,论文提出对单片的加速度计的技术指标参数:零偏和标度因子进行校准和补偿,提出一种基于六姿态模型的加速度计校准方法。由于静止时重力加速度在叁轴的分量即为加速度传感器各轴输出,据此原理建立误差模型,利用算法对其零偏和标度因子进行校准。经实验验证:该校准方法无需借助高精度转台等设备,就可实现加速度传感器的快速校准。相比厂家所给相关技术指标,其精度有所提高。最后,为进一步研究传感器使用时的约束条件,通过仿真的方式,从理论角度分别分析加速度计的零偏和灵敏度系数对测量结果的影响,并进行误差分析从而确定传感器使用约束条件。
李蓬[5]2013年在《高频运动模拟系统的控制器设计与应用研究》文中研究指明基于当代军事武器的发展需要，对导弹的飞行速度和精确打击等性能要求越来越高，导弹形状设计朝着大长径比的结构发展，此时由于弹体的弹性抖动不可忽略，这对运动仿真系统的要求越来越高，本文介绍了一种可以同时跟踪大角度机动的姿态角信号和小幅值的高频抖动信号的高频运动模拟系统。首先，确定了高频运动模拟系统的结构组成，由传统叁轴转台和固定在其内环上的Stewart伺服台组成，采用复合轴控制策略，利用叁轴转台跟踪大角度姿态变化，Stewart伺服台跟踪弹体高频抖动，两个系统的输出之和作为整个高频运动模拟系统的输出。然后，分析并推导了Stewart伺服台的运动学反解、正解和动力学模型，并根据本文研究的Stewart伺服台需要绕动平台回转轴上的空间定点运动的特定运动方式，给出了适合本系统Stewart伺服台的指令解算方法。再次，根据高频运动模拟系统结构组成、工作方式以及应用需求，分析了由于叁轴转台与Stewart伺服台同时工作而产生的相互干扰的影响，以及由Stewart伺服台自身结构复杂而引入的干扰因素，并根据这些干扰因素提出了干扰观测器、陷波滤波器与干扰力前馈补偿等抑制干扰的方案，有利于高频运动模拟系统实现高精度的跟踪。最后，针对Stewart伺服台参数变化大、外界干扰复杂以及跟踪精度要求高的特点，设计了具有快速性好、鲁棒性强、跟踪精度高的滑模控制器，并利用趋近律设计、饱和函数和干扰观测器等方法，削弱了由滑模控制引入的高频震颤。从理论角度分析了滑模控制的稳定性和跟踪精度等性能特点，分析滑模控制与基于频域设计的前馈控制之间的联系，证明了滑模控制能够有效的提高系统跟踪精度和频带宽度。设计了滑模控制器，仿真结果表明，滑模控制有利于系统实现高精度的跟踪要求。
杨天锡[6]2007年在《光学测试转台若干控制算法研究》文中进行了进一步梳理叁轴光学测试转台是CCD成像制导半实物仿真测试的关键设备。位置精度、速度精度、低速性能是叁轴光学测试转台的重要性能指标。影响叁轴光学测试转台精度和低速性能的因素有摩擦力矩、转台轴系之间的耦合、工频干扰、噪声干扰、机械谐振等。为了提高叁轴仿真转台的精度和低速性能,在不增加硬件开销的情况下,本文从算法(软件)角度研究叁轴光学测试转台饲服控制、摩擦力补偿、解耦、滤波这几个关键技术,给了相应的解决措施。叁轴光学测试转台的控制在本质上是直流饲服电机的控制,本文第二章研究了直流饲服电机的控制。直流饲服电机采用电流环、速度环和位置环叁环嵌套控制。为了提高响应速度,引进了模糊控制算法。电流环采用PI控制,速度环采用模糊PID切换控制,在大的误差范围内,采用模糊控制以提高控制的快速性,在小误差范围内,采用PID控制以保证控制的精确性。位置环采用前馈+模糊PID控制。仿真表明,这种传统控制算法和现代控制算法相结合的控制策略有效地提高了叁轴光学测试转台的响应时间。摩擦力是影响叁轴光学测试转台低速性能的主要因素,本文设计了一种复合自适应摩擦力补偿算法,在线辨识参数。一方面,从基于李雅普诺夫原理的自适应理论得了一种自适应摩擦力估计,另一方面,从基于最小二乘法原理的系统辨识角度,得出另一种自适应摩擦力估计,然后把这两种摩擦力线性组合起来,得到了一种复合摩擦力补偿算法,理论和仿真都表明,这种复合自适应摩擦力补偿算法,既具有自适应控制全局稳定收敛的特点,又具有最小二乘法在线更新参数的特点,是一种实用有效的自适应摩擦力补偿算法。叁轴光学测试转台各轴系之间的耦合影响了转台的精度,解耦是叁轴光学测试转台控制必须要解决的问题。本文采用基于逆系统的Singh法解耦,这种方法根据叁轴光学测试转台各轴系之间的耦合数学模型,用Singh法求出其逆系统,再把求得的逆系统串接在原叁轴光学测试转台耦合物理系统前面构成伪线性系统,进行动态解耦设计。逆系统Singh法解耦,避开了Falb-Wolovich解耦矩阵为奇异的情况。本文给了叁轴光学测试转台基于逆系统Singh法解耦实例,仿真表明,只要叁轴光学测试转台的耦合数学模型足够精确,就能够完全消除耦合干扰。工频干扰、机械谐振、测量噪声、高斯噪声和高频噪声等都直接或间接地影响着叁轴光学测试转台的精度,针对这些干扰或噪声,本文讨论了叁轴光学测试中的滤波技术。设计了自适应陷波滤波器来消除工频干扰和机械谐振,设计了卡尔曼滤波器来消除测量噪声和常值干扰力矩,在卡尔曼滤波的基础上,讨论了加速度反馈控制。此外,还简要介绍了低通滤波等滤波技术在转台控制系统中的应用。本文初步完成了叁轴光学测试转台中若干控制算法的研究,研究每个问题时,在理论分析的基础之上,大都给出了仿真结果。
李巍[7]2008年在《惯导平台测试方法与参数辨识研究》文中进行了进一步梳理随着惯性技术的发展,对惯性平台的精度要求越来越高。而受加工水平和制造工艺的限制,单纯依靠提高陀螺及加速度计等惯性器件的精度来提高整个惯导系统精度的代价变得愈发昂贵。相比之下,从系统的角度,在对惯导平台各类误差源辨识的基础上进行系统级的补偿,则是一种更为经济有效的途径。本文对惯导平台的误差辨识进行了研究,具体进行了以下几方面的工作。本文设计了重力场下惯导平台的叁轴转台多位置测试方案,给出了系统的配置方案以及试验测试的具体步骤。由叁轴转台提供多个测试位置,惯导平台在每个测试位置下,处于惯性稳定状态。在测试位置的选择上采用了工程上常用的6位置测试法,该测试方案有较强的可行性。对惯导平台的运动进行了建模。在得到了陀螺、加速度计等分立的惯性器件误差模型后,又根据惯导平台的稳定机理,取加速度计输出为观测量,推导出了比较完善的惯导平台线性化输出方程。建立的误差模型具有物理意义明确,结构简单和线性化等特点。介绍了参数的相关性和可辨识性的分析方法,对已建立的平台误差模型方程中待辨识的参数,进行相关性和可辨识性的讨论,对平台误差参数模型进行了改进。首先给出了系统输出方程的最小二乘表示形式,然后应用最小二乘辨识方法对平台误差参数模型进行了辨识,根据误差参数辨识结果以及相关性矩阵,进行了分析讨论,对误差参数项进行了删减,最终建立了包含12个误差参数的输出方程。最后就影响辨识参数精度的因素,包括测试时间,采样组数等,做了一系列的仿真和实验研究。通过讨论得出了待辨识参数精度随采样时间以及采样组数等因素的变化关系。同时对小角度近似的问题进行了分析,经过仿真实验,得到了小角度近似误差模型中待辨识参数的估计值与真值之差随测试时间的变化关系。
曹泽玲[8]2018年在《小型无人机制导与控制半物理仿真系统研究与设计》文中指出导航制导与控制是小型无人机完成目标侦察、导航定位、航迹规划、目标攻击等各项作战任务的重要保障。作为小型无人机重要功能之一,自主制导与控制是其完成既定任务的坚实保障。控制系统的高效执行可为飞行仿真实验提供更加精确有效的数据参考,为飞行器的设计与研发提供可靠的依据与研发保证。叁轴转台系统的控制是半物理仿真测试的核心部分,转台的控制效果决定了半物理仿真实验的结果精度与可靠性。本文在小型无人机飞控与叁轴测试转台和半物理实验技术迅速发展的背景下,研究了国内外发展方向;分析了半物理仿真的原理、结构与功能;研究了小型无人机飞控姿态运动学与动力学方程;完成了转台系统控制的四元数解算与仿真验证;对转台俯仰、滚转与偏航姿态分别进行了控制设计与Simulink仿真验证,并与理论计算值进行对比分析。完成了转台控制系统的硬件设计。在叁轴转台平台上,设计了基于PCI总线的MPC08SP运动控制系统及基于STM32的下位机监控系统。完成了各模块电路的设计、AD软件绘图及PCB板制作,通过RW009无线WIFI互联实现上位机与下位机的实时通信,完成转台实时运动姿态数据的对比分析,在系统可靠性与精度方面有所提高。设计了控制系统上位机软件并完成了实验测试与分析。通过C#高级开发语言在Visual Studio 2013软件平台上设计了上位机控制管理系统,研究了PCI板卡驱动的Windows函数库、SPI操作时序、WIFI数据收发驱动等。上位机管理软件的测试显示软件满足姿态实时控制与显示要求,且人机交互性能较好。最后,在自主设计的控制系统硬件与软件基础上完成了转台姿态控制半物理仿真实验,实验结果分析表明:转台姿态控制具有一定的精度,系统的设计与控制方法具有较好的实用性。研究了小脑模型神经网络与经典PID算法并应用于叁轴转台姿态控制。引入具有自学习能力、稳定性与鲁棒性能良好的小脑模型神经网络算法,运用CMAC与PID并行算法实现转台控制,并完成了MATLAB/Simulink仿真验证。通过对经典PID算法、自适应算法和CMAC与PID并行算法比较分析,仿真结果证实CMAC与PID并行控制算法通过前馈加反馈控制方式,在系统控制误差保持、稳定性、鲁棒性及控制精确度和自适应能力方面效果较好,有一定的实用与发展前景。
张柳[9]2016年在《基于MARG传感器的四旋翼姿态控制器研究》文中指出近年来随着MEMS技术和嵌入式处理器的飞速发展,出现了体积小、重量轻、功耗低,集加速度计、磁力计和陀螺仪为一体的MARG(magnetic,angular rate and gravity)传感模块,该传感模块不仅可用于空中四旋翼的姿态检测,也可以用来设计新型地面姿态遥控器。本文基于MARG传感模块及多传感器数据融合技术,设计一种新型姿态遥控器,实现对四旋翼的姿态控制。为了保证姿态遥控器中MARG传感模块自身输出数据的准确性,首先分析了MARG传感模块中加速度计、磁力计和陀螺仪的误差源,建立了加速度计、磁力计和陀螺仪的误差模型。将MARG传感模块固定在叁轴手动转台上,调节叁轴转台的角度,采集到传感模块在全姿态下的输出数据,基于误差模型采用非线性最小二乘法得到比例因子矩阵及零偏系数,完成对叁轴加速度计及叁轴磁力计的静态标定。再用速率转台对叁轴陀螺仪做速率标定,得到了叁轴陀螺仪的比例因子矩阵及零偏系数。MARG传感模块的叁种传感数据经各自的比例因子矩阵及零偏系数的校准而输出。为了保证姿态遥控器自身姿态估计的准确性,互补滤波及扩展卡尔曼滤波被用作姿态角度数据的融合。互补滤波融合算法根据不同传感模块的频率响应特性,将陀螺仪的角度数据与加速度计及磁力计解算的角度数据相融合,利用加速度计和磁力计的低频有效输出来抑制陀螺仪的漂移,减小姿态估计的偏差。扩展卡尔曼滤波融合算法利用加速度计及磁力计的估计值与校准测量值的差值对陀螺仪的输出进行修正。在Matlab环境中对不同类型传感器输入数据的姿态解算值及融合值进行比对,来验证算法的有效性。多传感器数据的融合提高了传感模块的姿态测量准确度和抵抗振动冲击的能力。基于MPU6050和HMC5883L传感模块及STM32F407单片机设计并制作了四旋翼姿态控制器。在STM32F4中通过C语言编程实现滤波融合算法,将融合后姿态角值作为控制量经2.4 G无线模块发送到四旋翼信号接收机,对四旋翼飞行进行实时控制,上位机同时记录姿态角发送数据及四旋翼飞行器姿态的回传数据。实验表明,采集到四旋翼的姿态曲线波形可实时跟随MARG传感模块的姿态曲线,姿态控制器可对四旋翼的姿态进行灵活控制,验证了本文设计的姿态控制器的可行性及姿态角数据融合算法的有效性。
郭雨龙[10]2014年在《叁轴姿态模拟器的研制》文中研究表明叁轴姿态模拟器是制导系统研制过程中起关键作用的设备。叁轴姿态模拟器利用其内框轴、中框轴以及外框轴的转角变化来模拟飞行器在实际过程中姿态的变化。叁轴姿态模拟器性能的优劣直接影响着制导系统的仿真精度以及结果的可靠性。随着武器系统的精度提高，对仿真设备的静态性能和动态性能都提出了更高的要求。由于叁轴姿态模拟器是典型的非标设备，而且国外对这项技术进行严格的封锁和保密，因此研制高性能叁轴姿态模拟器意义重大。本文首先分析叁轴姿态模拟器的国内外研究现状，总结在姿态模拟器设计过程中的一些关键问题，在此基础上确定本文的研究思路：叁轴姿态模拟器结构设计和结构优化以及外框架控制系统研究。首先，本文确定叁轴姿态模拟器UUT型的总体结构，负载盘安装方式，驱动方式为电机驱动。在此基础上，设计叁轴姿态模拟器的叁个轴系。得到叁轴姿态模拟器的叁维模型，绘制二维图。接着，根据有限元理论建立叁轴姿态模拟器的有限元模型，针对中框架的五个不同位置进行静力学分析和模态分析，确定叁轴姿态模拟器性能最差的工作点。然后，对叁轴姿态模拟器外框架的参数进行优化。以外壁厚度，横向筋数目、横向筋厚度、纵向筋数目、纵向筋厚度五个参数作为设计变量，安排正交试验对五个因素进行灵敏度分析。提取其中灵敏度最大的叁个因素作为优化变量。然后，使用神经网络—遗传算法优化策略进行叁个设计变量的参数化寻优，得到最优参数组合。最后，针对外框架单通道控制系统，建立控制系统数学模型。用经典PID控制策略设计控制器。对电流环、速度环、位置环控制性能进行系统仿真分析以满足动态指标要求。此外，本文对模型参考自适应控制算法进行研究，建立模型参考自适应控制器，并确定系统的响应性能。在此基础上，进行电机控制实验，验证模型仿真的准确性，并进行相关特性研究。
参考文献：
[1]. 非线性控制理论在叁轴转台姿态控制中的应用[D]. 李敏行. 西北工业大学. 2001
[2]. 基于组合测量的弹箭图像末修技术[D]. 柏杰锋. 南京理工大学. 2008
[3]. 伺服系统滑模控制与干扰抑制[D]. 杜智超. 北京理工大学. 2016
[4]. 基于MEMS传感器的物体运动参数解算误差分析及传感器适用性研究[D]. 张文瑞. 中北大学. 2017
[5]. 高频运动模拟系统的控制器设计与应用研究[D]. 李蓬. 哈尔滨工业大学. 2013
[6]. 光学测试转台若干控制算法研究[D]. 杨天锡. 哈尔滨工业大学. 2007
[7]. 惯导平台测试方法与参数辨识研究[D]. 李巍. 哈尔滨工业大学. 2008
[8]. 小型无人机制导与控制半物理仿真系统研究与设计[D]. 曹泽玲. 南昌航空大学. 2018
[9]. 基于MARG传感器的四旋翼姿态控制器研究[D]. 张柳. 哈尔滨工业大学. 2016
[10]. 叁轴姿态模拟器的研制[D]. 郭雨龙. 哈尔滨工业大学. 2014
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