基于陀螺的視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)的研究

蔡立華

【摘 要】 本文針對基于陀螺的視軸穩(wěn)定控制回路的模型，對視軸穩(wěn)定的控制回路控制模型和隔離度進(jìn)行了分析，提出了速度穩(wěn)定環(huán)應(yīng)具有高的開環(huán)增益和適當(dāng)?shù)膸?，以保證速度穩(wěn)定環(huán)對載體運(yùn)動的干擾。

【關(guān)鍵詞】 隔離度 速度環(huán)

1 引言

艦載光電跟蹤設(shè)備具有高精度的測距、測角和實(shí)時(shí)高分辨率成像等功能，在海上準(zhǔn)確測量、艦載機(jī)的著艦引導(dǎo)及火控武器的精準(zhǔn)打擊等領(lǐng)域具有至關(guān)重要的地位。而要想艦載光電跟蹤設(shè)備發(fā)揮更大的作用，必須進(jìn)一步提高其視軸抵抗船搖擾動的能力，從而完成對目標(biāo)穩(wěn)定、精準(zhǔn)的跟蹤，所以視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)要求具有快速的響應(yīng)、高精度和較強(qiáng)的抗干擾性能。本文重點(diǎn)研究基于陀螺的視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)伺服回路的關(guān)鍵問題，并提出了速度穩(wěn)定環(huán)應(yīng)具備的性能要求。

2 視軸穩(wěn)定伺服控制回路關(guān)鍵問題分析

2.1 基于陀螺的視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)模型

視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，控制系統(tǒng)由陀螺速度反饋組成的速度穩(wěn)定環(huán)，編碼器反饋的位置環(huán)及前饋控制組成。

在圖1中，θT為目標(biāo)位置，θP為跟蹤框架位置，θT -θP為位置跟蹤誤差，為速率陀螺測出的框架角速度。根據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型可得出，整個(gè)視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

其中：為電視跟蹤系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，為位置回路校正函數(shù)為速度回路校正函數(shù)功率驅(qū)動器的放大倍數(shù)，為直流力矩電機(jī)的傳遞函數(shù)，為陀螺低通濾波器的比例系數(shù)，為陀螺的傳遞函數(shù)的放大倍數(shù)，為干擾力矩，為系統(tǒng)的角度輸入。

2.2 視軸穩(wěn)定回路控制模型分析

從視軸控制回路的模型圖中我們可以看出：陀螺既是普通的測速元件，又能測量載體的運(yùn)動耦合到視軸的慣性空間的角速度，所以在設(shè)計(jì)視軸穩(wěn)定回路時(shí)，應(yīng)考慮以下三個(gè)方面方面：

（1）跟隨指令輸入；

（2）克服摩擦等干擾力矩；

（3）隔離載體耦合擾動。

從圖2可以得出，視軸平臺輸出角速度為：

（1）

由式（1）可以看出， 指令速率、基座擾動和力矩?cái)_動共同影響視軸平臺角速度，所以在設(shè)計(jì)穩(wěn)定回路時(shí)，必須保證對和的良好跟蹤，同時(shí)有效抑制所帶來的影響。在設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)時(shí)，需保證：則上式可以表示為：

（2）

由式（1）和式（2）可見，為了隔離載體無論從隔離載體耦合運(yùn)動，抵抗摩擦力矩?cái)_動，還是提高對指令速率的跟蹤能力均需要提高系統(tǒng)的開環(huán)增益。

2.3 伺服系統(tǒng)隔離度分析

隔離度的數(shù)學(xué)模型如式（3）所示

（3）

其中，表示隔離度，表示視軸相對于慣性空間晃動的角度，表示載體轉(zhuǎn)動的角度。

數(shù)值越小，表示視軸受載體擾動的影響越小。

在基于陀螺的視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)中，視軸穩(wěn)定的伺服系統(tǒng)如圖3所示。

在圖3中，GA（s）為速率穩(wěn)定回路前向通道傳遞函數(shù)，滿足：

（4）

HB（s）為速率穩(wěn)定回路反饋通道傳遞函數(shù)，滿足：

（5）

θd表示各種干擾力矩引起的視軸角度的變化；θ0表示擾動后視軸相對慣性空間的角位置；θlos為給定角位置。GP（s）為位置回路調(diào)節(jié)器；HP（s）為位置跟蹤回路反饋通道傳遞函數(shù)，一般情況下，可將其設(shè)為1。

從圖3中，可以推導(dǎo)出e（s）相對于θlos和θd的傳遞函數(shù)為

（6）

其中：

ei（s）為由于目標(biāo)的運(yùn)動，系統(tǒng)產(chǎn)生的跟蹤角誤差，ed（s）為視軸受載體干擾，視軸產(chǎn)生的誤差。

視軸指向誤差相對載體運(yùn)動的誤差傳遞函數(shù)為：

（7）

式中：

隔離度用分貝值表示，定義為載體運(yùn)動的角度與由于載體運(yùn)動引起的視軸晃動的角度之比。它表示視軸抵抗載體角運(yùn)動的能力，數(shù)值越大，表示抵抗載體干擾運(yùn)動的能力越強(qiáng)。具體的隔離度的公式式（8）所示。

（8）

稱為系統(tǒng)對載體運(yùn)動的隔離度，該參數(shù)體現(xiàn)了速率穩(wěn)定環(huán)的隔離效果，則體現(xiàn)了位置回路本身所起的隔離作用。

由上述分析可以得到以下結(jié)論：

（1）在基于陀螺反饋的視軸穩(wěn)定控制中，速度穩(wěn)定環(huán)和位置環(huán)對于載體的擾動都有隔離的作用，但由于位置環(huán)的跟蹤傳感器存在滯后，帶寬低，所以位置環(huán)只對低幀頻的載體的運(yùn)動具有隔離運(yùn)動，對于高頻的載體運(yùn)動，主要依靠速度穩(wěn)定環(huán)來抵抗。

（2）由隔離度的公式可以，速度環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)決定了速度環(huán)的隔離能力，所以速度環(huán)應(yīng)具有高開環(huán)增益和高帶寬的性能。

3 結(jié)語

本文針對艦載光電跟蹤系統(tǒng)視軸穩(wěn)定問題，對視軸穩(wěn)定的控制回路進(jìn)行了分析，通過對穩(wěn)定回路隔離度的分析，提出了視軸穩(wěn)定控制回路的速度穩(wěn)定環(huán)應(yīng)滿足的性能要求，為視軸穩(wěn)定控制算法和視軸穩(wěn)定速度環(huán)的設(shè)計(jì)提供了理論的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]姬偉.陀螺穩(wěn)定光電跟蹤平臺伺服控制系統(tǒng)的研究.東南大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

[2]李潔.機(jī)（艦）_載目標(biāo)真值測量設(shè)備伺服控制系統(tǒng)的研究.中科院博士學(xué)位論文，2002.

[3]王鳳英.船載電視跟蹤儀自穩(wěn)定問題研究.大連海事大學(xué)，碩士論文，2005.

[4]王合龍，朱培申，姜世發(fā).陀螺穩(wěn)定平臺框架伺服系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)和仿真.電光與控制，1998.endprint

【摘 要】 本文針對基于陀螺的視軸穩(wěn)定控制回路的模型，對視軸穩(wěn)定的控制回路控制模型和隔離度進(jìn)行了分析，提出了速度穩(wěn)定環(huán)應(yīng)具有高的開環(huán)增益和適當(dāng)?shù)膸?，以保證速度穩(wěn)定環(huán)對載體運(yùn)動的干擾。

【關(guān)鍵詞】 隔離度 速度環(huán)

1 引言

艦載光電跟蹤設(shè)備具有高精度的測距、測角和實(shí)時(shí)高分辨率成像等功能，在海上準(zhǔn)確測量、艦載機(jī)的著艦引導(dǎo)及火控武器的精準(zhǔn)打擊等領(lǐng)域具有至關(guān)重要的地位。而要想艦載光電跟蹤設(shè)備發(fā)揮更大的作用，必須進(jìn)一步提高其視軸抵抗船搖擾動的能力，從而完成對目標(biāo)穩(wěn)定、精準(zhǔn)的跟蹤，所以視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)要求具有快速的響應(yīng)、高精度和較強(qiáng)的抗干擾性能。本文重點(diǎn)研究基于陀螺的視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)伺服回路的關(guān)鍵問題，并提出了速度穩(wěn)定環(huán)應(yīng)具備的性能要求。

2 視軸穩(wěn)定伺服控制回路關(guān)鍵問題分析

2.1 基于陀螺的視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)模型

視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，控制系統(tǒng)由陀螺速度反饋組成的速度穩(wěn)定環(huán)，編碼器反饋的位置環(huán)及前饋控制組成。

在圖1中，θT為目標(biāo)位置，θP為跟蹤框架位置，θT -θP為位置跟蹤誤差，為速率陀螺測出的框架角速度。根據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型可得出，整個(gè)視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

其中：為電視跟蹤系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，為位置回路校正函數(shù)為速度回路校正函數(shù)功率驅(qū)動器的放大倍數(shù)，為直流力矩電機(jī)的傳遞函數(shù)，為陀螺低通濾波器的比例系數(shù)，為陀螺的傳遞函數(shù)的放大倍數(shù)，為干擾力矩，為系統(tǒng)的角度輸入。

2.2 視軸穩(wěn)定回路控制模型分析

從視軸控制回路的模型圖中我們可以看出：陀螺既是普通的測速元件，又能測量載體的運(yùn)動耦合到視軸的慣性空間的角速度，所以在設(shè)計(jì)視軸穩(wěn)定回路時(shí)，應(yīng)考慮以下三個(gè)方面方面：

（1）跟隨指令輸入；

（2）克服摩擦等干擾力矩；

（3）隔離載體耦合擾動。

從圖2可以得出，視軸平臺輸出角速度為：

（1）

由式（1）可以看出， 指令速率、基座擾動和力矩?cái)_動共同影響視軸平臺角速度，所以在設(shè)計(jì)穩(wěn)定回路時(shí)，必須保證對和的良好跟蹤，同時(shí)有效抑制所帶來的影響。在設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)時(shí)，需保證：則上式可以表示為：

（2）

由式（1）和式（2）可見，為了隔離載體無論從隔離載體耦合運(yùn)動，抵抗摩擦力矩?cái)_動，還是提高對指令速率的跟蹤能力均需要提高系統(tǒng)的開環(huán)增益。

2.3 伺服系統(tǒng)隔離度分析

隔離度的數(shù)學(xué)模型如式（3）所示

（3）

其中，表示隔離度，表示視軸相對于慣性空間晃動的角度，表示載體轉(zhuǎn)動的角度。

數(shù)值越小，表示視軸受載體擾動的影響越小。

在基于陀螺的視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)中，視軸穩(wěn)定的伺服系統(tǒng)如圖3所示。

在圖3中，GA（s）為速率穩(wěn)定回路前向通道傳遞函數(shù)，滿足：

（4）

HB（s）為速率穩(wěn)定回路反饋通道傳遞函數(shù)，滿足：

（5）

θd表示各種干擾力矩引起的視軸角度的變化；θ0表示擾動后視軸相對慣性空間的角位置；θlos為給定角位置。GP（s）為位置回路調(diào)節(jié)器；HP（s）為位置跟蹤回路反饋通道傳遞函數(shù)，一般情況下，可將其設(shè)為1。

從圖3中，可以推導(dǎo)出e（s）相對于θlos和θd的傳遞函數(shù)為

（6）

其中：

ei（s）為由于目標(biāo)的運(yùn)動，系統(tǒng)產(chǎn)生的跟蹤角誤差，ed（s）為視軸受載體干擾，視軸產(chǎn)生的誤差。

視軸指向誤差相對載體運(yùn)動的誤差傳遞函數(shù)為：

（7）

式中：

隔離度用分貝值表示，定義為載體運(yùn)動的角度與由于載體運(yùn)動引起的視軸晃動的角度之比。它表示視軸抵抗載體角運(yùn)動的能力，數(shù)值越大，表示抵抗載體干擾運(yùn)動的能力越強(qiáng)。具體的隔離度的公式式（8）所示。

（8）

稱為系統(tǒng)對載體運(yùn)動的隔離度，該參數(shù)體現(xiàn)了速率穩(wěn)定環(huán)的隔離效果，則體現(xiàn)了位置回路本身所起的隔離作用。

由上述分析可以得到以下結(jié)論：

（1）在基于陀螺反饋的視軸穩(wěn)定控制中，速度穩(wěn)定環(huán)和位置環(huán)對于載體的擾動都有隔離的作用，但由于位置環(huán)的跟蹤傳感器存在滯后，帶寬低，所以位置環(huán)只對低幀頻的載體的運(yùn)動具有隔離運(yùn)動，對于高頻的載體運(yùn)動，主要依靠速度穩(wěn)定環(huán)來抵抗。

（2）由隔離度的公式可以，速度環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)決定了速度環(huán)的隔離能力，所以速度環(huán)應(yīng)具有高開環(huán)增益和高帶寬的性能。

3 結(jié)語

本文針對艦載光電跟蹤系統(tǒng)視軸穩(wěn)定問題，對視軸穩(wěn)定的控制回路進(jìn)行了分析，通過對穩(wěn)定回路隔離度的分析，提出了視軸穩(wěn)定控制回路的速度穩(wěn)定環(huán)應(yīng)滿足的性能要求，為視軸穩(wěn)定控制算法和視軸穩(wěn)定速度環(huán)的設(shè)計(jì)提供了理論的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]姬偉.陀螺穩(wěn)定光電跟蹤平臺伺服控制系統(tǒng)的研究.東南大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

[2]李潔.機(jī)（艦）_載目標(biāo)真值測量設(shè)備伺服控制系統(tǒng)的研究.中科院博士學(xué)位論文，2002.

[3]王鳳英.船載電視跟蹤儀自穩(wěn)定問題研究.大連海事大學(xué)，碩士論文，2005.

[4]王合龍，朱培申，姜世發(fā).陀螺穩(wěn)定平臺框架伺服系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)和仿真.電光與控制，1998.endprint

【摘 要】 本文針對基于陀螺的視軸穩(wěn)定控制回路的模型，對視軸穩(wěn)定的控制回路控制模型和隔離度進(jìn)行了分析，提出了速度穩(wěn)定環(huán)應(yīng)具有高的開環(huán)增益和適當(dāng)?shù)膸?，以保證速度穩(wěn)定環(huán)對載體運(yùn)動的干擾。

【關(guān)鍵詞】 隔離度 速度環(huán)

1 引言

艦載光電跟蹤設(shè)備具有高精度的測距、測角和實(shí)時(shí)高分辨率成像等功能，在海上準(zhǔn)確測量、艦載機(jī)的著艦引導(dǎo)及火控武器的精準(zhǔn)打擊等領(lǐng)域具有至關(guān)重要的地位。而要想艦載光電跟蹤設(shè)備發(fā)揮更大的作用，必須進(jìn)一步提高其視軸抵抗船搖擾動的能力，從而完成對目標(biāo)穩(wěn)定、精準(zhǔn)的跟蹤，所以視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)要求具有快速的響應(yīng)、高精度和較強(qiáng)的抗干擾性能。本文重點(diǎn)研究基于陀螺的視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)伺服回路的關(guān)鍵問題，并提出了速度穩(wěn)定環(huán)應(yīng)具備的性能要求。

2 視軸穩(wěn)定伺服控制回路關(guān)鍵問題分析

2.1 基于陀螺的視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)模型

視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，控制系統(tǒng)由陀螺速度反饋組成的速度穩(wěn)定環(huán)，編碼器反饋的位置環(huán)及前饋控制組成。

在圖1中，θT為目標(biāo)位置，θP為跟蹤框架位置，θT -θP為位置跟蹤誤差，為速率陀螺測出的框架角速度。根據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型可得出，整個(gè)視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

其中：為電視跟蹤系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，為位置回路校正函數(shù)為速度回路校正函數(shù)功率驅(qū)動器的放大倍數(shù)，為直流力矩電機(jī)的傳遞函數(shù)，為陀螺低通濾波器的比例系數(shù)，為陀螺的傳遞函數(shù)的放大倍數(shù)，為干擾力矩，為系統(tǒng)的角度輸入。

2.2 視軸穩(wěn)定回路控制模型分析

從視軸控制回路的模型圖中我們可以看出：陀螺既是普通的測速元件，又能測量載體的運(yùn)動耦合到視軸的慣性空間的角速度，所以在設(shè)計(jì)視軸穩(wěn)定回路時(shí)，應(yīng)考慮以下三個(gè)方面方面：

（1）跟隨指令輸入；

（2）克服摩擦等干擾力矩；

（3）隔離載體耦合擾動。

從圖2可以得出，視軸平臺輸出角速度為：

（1）

由式（1）可以看出， 指令速率、基座擾動和力矩?cái)_動共同影響視軸平臺角速度，所以在設(shè)計(jì)穩(wěn)定回路時(shí)，必須保證對和的良好跟蹤，同時(shí)有效抑制所帶來的影響。在設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)時(shí)，需保證：則上式可以表示為：

（2）

由式（1）和式（2）可見，為了隔離載體無論從隔離載體耦合運(yùn)動，抵抗摩擦力矩?cái)_動，還是提高對指令速率的跟蹤能力均需要提高系統(tǒng)的開環(huán)增益。

2.3 伺服系統(tǒng)隔離度分析

隔離度的數(shù)學(xué)模型如式（3）所示

（3）

其中，表示隔離度，表示視軸相對于慣性空間晃動的角度，表示載體轉(zhuǎn)動的角度。

數(shù)值越小，表示視軸受載體擾動的影響越小。

在基于陀螺的視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)中，視軸穩(wěn)定的伺服系統(tǒng)如圖3所示。

在圖3中，GA（s）為速率穩(wěn)定回路前向通道傳遞函數(shù)，滿足：

（4）

HB（s）為速率穩(wěn)定回路反饋通道傳遞函數(shù)，滿足：

（5）

θd表示各種干擾力矩引起的視軸角度的變化；θ0表示擾動后視軸相對慣性空間的角位置；θlos為給定角位置。GP（s）為位置回路調(diào)節(jié)器；HP（s）為位置跟蹤回路反饋通道傳遞函數(shù)，一般情況下，可將其設(shè)為1。

從圖3中，可以推導(dǎo)出e（s）相對于θlos和θd的傳遞函數(shù)為

（6）

其中：

ei（s）為由于目標(biāo)的運(yùn)動，系統(tǒng)產(chǎn)生的跟蹤角誤差，ed（s）為視軸受載體干擾，視軸產(chǎn)生的誤差。

視軸指向誤差相對載體運(yùn)動的誤差傳遞函數(shù)為：

（7）

式中：

隔離度用分貝值表示，定義為載體運(yùn)動的角度與由于載體運(yùn)動引起的視軸晃動的角度之比。它表示視軸抵抗載體角運(yùn)動的能力，數(shù)值越大，表示抵抗載體干擾運(yùn)動的能力越強(qiáng)。具體的隔離度的公式式（8）所示。

（8）

稱為系統(tǒng)對載體運(yùn)動的隔離度，該參數(shù)體現(xiàn)了速率穩(wěn)定環(huán)的隔離效果，則體現(xiàn)了位置回路本身所起的隔離作用。

由上述分析可以得到以下結(jié)論：

（1）在基于陀螺反饋的視軸穩(wěn)定控制中，速度穩(wěn)定環(huán)和位置環(huán)對于載體的擾動都有隔離的作用，但由于位置環(huán)的跟蹤傳感器存在滯后，帶寬低，所以位置環(huán)只對低幀頻的載體的運(yùn)動具有隔離運(yùn)動，對于高頻的載體運(yùn)動，主要依靠速度穩(wěn)定環(huán)來抵抗。

（2）由隔離度的公式可以，速度環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)決定了速度環(huán)的隔離能力，所以速度環(huán)應(yīng)具有高開環(huán)增益和高帶寬的性能。

3 結(jié)語

本文針對艦載光電跟蹤系統(tǒng)視軸穩(wěn)定問題，對視軸穩(wěn)定的控制回路進(jìn)行了分析，通過對穩(wěn)定回路隔離度的分析，提出了視軸穩(wěn)定控制回路的速度穩(wěn)定環(huán)應(yīng)滿足的性能要求，為視軸穩(wěn)定控制算法和視軸穩(wěn)定速度環(huán)的設(shè)計(jì)提供了理論的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]姬偉.陀螺穩(wěn)定光電跟蹤平臺伺服控制系統(tǒng)的研究.東南大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

[2]李潔.機(jī)（艦）_載目標(biāo)真值測量設(shè)備伺服控制系統(tǒng)的研究.中科院博士學(xué)位論文，2002.

[3]王鳳英.船載電視跟蹤儀自穩(wěn)定問題研究.大連海事大學(xué)，碩士論文，2005.

[4]王合龍，朱培申，姜世發(fā).陀螺穩(wěn)定平臺框架伺服系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)和仿真.電光與控制，1998.endprint