工学硕士学位论文陀螺稳定平台伺服控制系统研究王石静哈尔滨工业大学2008年6月图内图书分类号：TP273国际图书分类号：621.3工学硕士学位论文陀螺稳定平台伺服控制系统研究硕 士 研究生：王石静导 师：杨 明教授副 导 师：霍 炬讲师申 请 学 位：工学硕士学 科、专 业：控制科学与工程所 在 单 位：控制与仿真中心答 辩 日 期：2008年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TP273U.D.C.: 621.3Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON SERVO CONTROLSYSTEM OF GYRO-STABILIZEDPLATFORMCandidate:Supervisor:Associate Supervisor: Academic Degree Applied for: Speciality:Affiliation：Date of Defence:Degree-Conferring-Institution:Wang ShijingProf. Yang MingLecturer Huo JuMaster of EngineeringControl Science and Engineering Control and Simulation Center June, 2008Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘 要陀螺稳定平台能够隔离载体扰动，保持平台上探测设备的视轴在惯性空间的稳定，从而保证探测设备对目标的精确跟踪，在现代武器系统中得到了广泛的应用。
本文针对项目需求，研究了陀螺稳定平台工作原理，建立了数学模型，对影响系统精度的摩擦力矩和陀螺噪声这两大主要因素进行了深入研究，并分析和研究了解决这两大问题的方法。
首先，在了解了陀螺平台系统工作原理的基础上，建立了系统的各组成部分模型，并根据载体扰动传递机制完善了模型。
其中，非线性摩擦对系统精度的影响很大，所以，本文建立了适用于仿真分析的摩擦模型，这对分析扰动对系统精度的影响情况以及研究控制器控制效果奠定了基础。
其次，测量元件陀螺的噪声是影响系统精度的另一个重要因素。
本文用IEEE公认的陀螺参数分析的标准方法——Allan方差法分析了陀螺信号噪声；研究了三种滤波方法——数字低通滤波、小波变换阈值滤波、自适应滤波，并将这三种方法直接用于处理陀螺信号；仿真分析比较了滤波效果。
此外，分析了滤波前后陀螺信号的幅度谱，利用Allan方差法并通过最小二乘拟合得到了滤波前后陀螺信号中各误差源的幅度，从不同的角度进一步证实了：三种方法中，自适应滤波效果最佳。
最后，设计了平台伺服系统控制器，主要研究了传统的超前滞后控制和滑模变结构控制。
并对这两种控制器的控制效果进行了系统稳定仿真实验分析，结果表明变结构控制效果远远优于超前滞后控制。
此外，进行了系统位置跟踪的仿真实验，结果表明变结构控制下系统可以较精确地跟踪一般的低频运动目标，满足一定的跟踪精度要求。
关键词陀螺稳定平台；非线性摩擦；陀螺噪声；滤波方法；控制器- I -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractGyro-stabilized platform can isolate the disturbance of carrier to keep the line-of-sight of exploring equipment stable in the inertial space, which is sure that exploring equipment can trace to targets accurately, so gyro-stabilized platform have great application in the modern weapon system. According to the needs of the project, this paper studied the operation principle of gyro-stabilized platform system, built mathematic model of the system, deeply studied friction moment and gyro noise which are main influencing factors of system precision, analyzed and studied the solving methods of the two questions.At first, based on understanding the operation principle of gyro-stabilized platform system, this paper built the model of each part of the system, perfected the model based on the transmission mechanics of the disturbance of carrier. Nonlinear friction have great influence on system precision, so this paper built friction model that is appropriate for simulation, which have great sense on studying the influence of disturbance and the control effect of controllers.Then, the noise of gyro is another main influencing factor of system precision. This paper used Allan variance method which is IEEE well-known standard method of the analyses of gyro parameter to analyze gyro signal noise. This paper studied three filtering methods: digital low-pass filter; wavelet threshold-value filter; self-adaptation filter, and used the three methods to deal with the gyro signal, compared the effect of filtering by simulation. Besides, this paper analyzed amplitude-frequency spectrum (AFS) of gyro signal before and after filtering, obtained the amplitude of various error sources in gyro signal by using the Allan variance method and the least square fitting procedure, then from different aspects verified that the filter effect of self-adaptation filter is the best in the three filter methods.At last, this paper built the controller of the platform servo-system, mainly studied classical lead-lag control and variable structure control (VSC). The control effect of the two controllers was analyzed and compared by simulation, and the results indicated VSC’s control effect is better than lead-lag control’s. Besides, this paper did the simulation experiments of system position tracing.- II -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文The results indicated that the system under VSC can trace normal low-frequency objects, and meet the challenge of tracking accuracy.Keywords gyro-stabilized platform; nonlinear friction; gyro noise; filter methods; controller- III -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目 录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1课题研究的背景、来源及意义 (1)1.2国内外研究现状及分析 (2)1.2.1 陀螺稳定平台的发展 (2)1.2.2 影响平台稳定的因素分析 (3)1.2.3 陀螺稳定回路控制方法的研究 (4)1.2.4 光纤陀螺的原理与优点 (4)1.3课题主要研究内容 (5)第2章单轴陀螺稳定平台各组成部分模型的建立 (7)2.1引言 (7)2.2系统各组成部分模型 (7)2.2.1 电机及负载平台模型 (8)2.2.2 PWM功率放大电路传递函数 (9)2.2.3 速率陀螺的传递函数 (10)2.2.4 陀螺信号处理环节模型 (10)2.2.5 速度环位置环控制器 (11)2.3非线性摩擦模型的建立 (11)2.3.1 摩擦特性及摩擦模型的研究 (11)2.3.2 摩擦的特性测量及模型建立 (13)2.3.3 摩擦补偿方法研究 (16)2.4稳定精度对伺服系统性能的要求 (17)2.4.1 平台力矩刚度与稳定精度的关系 (17)2.4.2 伺服系统对载体角运动的隔离 (20)2.4.3 未校正系统频率特性分析 (22)2.5本章小结 (23)第3章 光纤陀螺信号噪声分析及滤波方法研究 (24)3.1引言 (24)- I -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.2陀螺信号噪声分析 (24)3.2.1 陀螺信号的数学模型 (24)3.2.2 陀螺信号噪声的Allan方差时域分析 (24)3.3光纤陀螺噪声滤除方法研究 (28)3.3.1 数字低通滤波 (29)3.3.2 小波变换阈值滤波 (29)3.3.3 自适应滤波 (34)3.4光纤陀螺噪声滤除方法比较分析 (39)3.5本章小结 (43)第4章 稳定平台系统控制器的设计及仿真分析 (44)4.1引言 (44)4.2超前滞后控制器的设计 (44)4.3传统方法存在的问题 (47)4.4滑模变结构控制器的设计 (48)4.4.1 滑模变结构控制设计要求及步骤 (48)4.4.2 系统状态空间数学模型求取 (49)4.4.3 切换函数的设计 (50)4.4.4 滑模变结构控制律的求取 (52)4.5仿真实验分析 (53)4.5.1 不同控制器稳定控制效果仿真实验比较 (53)4.5.2 位置跟踪仿真实验 (57)4.6本章小结 (59)结论 (60)参考文献 (61)攻读学位期间发表的学术论文 (66)哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 (67)哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 (67)哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理 (67)致谢 (68)- II -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的背景、来源及意义稳定跟踪平台由于能隔离载体(导弹、飞机、战车、舰船)扰动，不断测量平台姿态和位置的变化，精确保持动态姿态基准，并通过图像探测设备实现对机动目标自动跟踪，所以在现代武器系统中得到了广泛的应用[1]。