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光电平台角位置信息摩擦观测补偿技术.docx
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光电平台角位置信息摩擦观测补偿技术.docx
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0. 引 言
光电稳定平台是一种光、机、电高度集成的精密设备
[1]
,由光电载荷、陀螺仪和执行
机构组成。主要完成目标捕获、跟踪和定位等任务,广泛应用在各种军事和民用领域
[2]
。
光电稳定平台用于对载体运动进行隔离,是一种高精度的伺服系统。在飞机飞行过程中,
机体受到的载体扰动会引起平台视轴的抖动,严重影响平台的稳像精度
[3]
。所以如何提高
光电平台的抗干扰能力,是改善平台性能、提高稳像精度的关键
[4]
。
光电稳定平台所受的扰动很多,有摩擦、质量不平衡、载体振动、导线牵拉和风阻等
[5]
,其中以摩擦干扰对平台伺服系统的影响最大,所以对摩擦干扰进行有效补偿是提高平
台稳像精度的关键。为了提高平台的稳像精度,研究者采取了许多扰动补偿措施,但对于
摩擦扰动都没有较好的解决办法,比如参考文献[6]中提出的自抗扰方法由于其补偿过程较
为复杂,响应时间慢,观测器带宽较低使得无法对较高频的扰动进行补偿;参考文献[7]中
提出的 DOBDOB 方法因为基于平台伺服系统的传递函数,依赖待补偿的控制系统模型,
对系统辨识准确率要求较高,同样无法对无规律的摩擦扰动进行有效补偿。所以针对摩擦
干扰,文中提出了一种基于最小二乘法估计的摩擦补偿方法,并经仿真验证,证明该方法
可以有效抑制平台伺服系统所受的摩擦干扰,改善平台性能。文中方法先对机构实际角加
速度利用最小二乘估计方法进行观测,然后将这个观测值与控制电流期望机构产生的角加
速度值进行对比,得到伺服系统受摩擦干扰影响所损失的角加速度,据此计算获得机构受
摩擦影响所消耗的力矩,最终得到需要补偿的电流值。文中利用 LuGre 动态摩擦模型对平
台所受摩擦扰动进行建模,然后提出补偿原理和角加速度估计算法,在 Matlab/simulink 中
建立仿真平台,验证基于机构角位置信息的加速度估计摩擦补偿方法的有效性。最后,在
实际稳定平台上进行实验,实验结果表明,此方法能切实改善平台的稳像精度,提升平台
的稳定性能。
1. 系统模型与补偿原理
1.1 光电稳定平台构型
文中针对的是两轴两框架的光电稳定平台,这种平台机械强度高、运动精度易实现
[8]
,是一种应用较广且技术比较成熟的光电稳定平台。图 1 为某型两轴两框架光电稳定平
台结构示意图,其内部有两套电机驱动平台运转,包含方位与俯仰两个轴系
[9]
,陀螺与光
电编码器分别负责测量机构的角速度与角位置值。
图 1 光电稳定平台结构图
Fig. 1 Structure diagram of photoelectric stabilization platform
下载: 全尺寸图片 幻灯片
光电稳定平台伺服系统采用闭环控制,通过陀螺仪来实时反馈机构角速度,达到光电
稳定平台隔离扰动,保持相对稳定的作用。图 2 所示是光电稳定平台单轴回路控制框图,
主要结构包含控制器、功率放大器、驱动电机、负载、陀螺仪
[10]
。
图 2 光电稳定平台单轴回路控制框图
Fig. 2 Single axis loop control block diagram of photoelectric stabilization platform
下载: 全尺寸图片 幻灯片
1.2 摩擦分析
摩擦力矩是影响视轴稳定的一个重要扰动因素,电机带动机构运动的过程会将连接轴
的摩擦力耦合在传感器视轴上,使视轴指向偏差预定值,摩擦力矩模型分为经典静态摩擦
模型和动态摩擦模型
[11]
。
静态摩擦模型有库伦摩擦模型,库伦+粘滞摩擦模型,静摩擦+库仑摩擦+粘滞摩擦模
型,Stribeck 模型
[12]
;动态摩擦模型常用的是 LuGre 模型,由于 LuGre 模型可以在低速且
高精度的控制系统中较准确描述一些复杂的动静态特性,是一个较为完善的动态摩擦模
型,能够比较准确的反映实际工程中电机角速度与系统摩擦力矩之间的动态关系,所以文
中利用 LuGre 模型进行仿真工作。
LuGre 模型可以表示为:
dzdt=ωl−|ωl|g(ωl)z,ωl=ωmidzdt=ωl−|ωl|g(ωl)z,ωl=ωmi
(1)
公式(1)表示两个接触面鬃毛的平均形变量 dzdtdzdt 与负载转速 ωlωl 通过传动比 ii
与电机转速 ωmωm 的关系,zz 表示鬃毛的平均形变量。非线性函数 g(ωl)>0g(ωl)>0 表示
不同的摩擦效应
[13]
。
σ0g(ωl)=Tc+(Ts−Tc) σ0g(ωl)=Tc+(Ts−Tc)
(2)
式中:TcTc 为库伦摩擦力矩;TsTs 为最大静摩擦力矩;ωsωs 为 StribeckStribeck 速
度。摩擦力矩 TfTf 用下式表示:
Tf=σ0z+σ1dzdt+σ2ωl Tf=σ0z+σ1dzdt+σ2ωl
(3)
式中:σ0σ0 为鬃毛的刚度系数;σ1σ1 为鬃毛的阻尼系数;σ2σ2 为粘滞摩擦系数。
1.3 补偿原理
在对稳定平台进行扰动补偿的过程中,注意到参考文献[6]中提到的自抗扰控制在实际
补偿时存在带宽较低的问题,对较高频的扰动或者其他非线性扰动补偿效果不明显,尤其
对于毫无规律的摩擦扰动,自抗扰控制效果不是特别理想。所以针对其不足,文中考虑设
计一种新型补偿方法,期望可以提高观测器的带宽,对摩擦力矩也能够进行有效补偿。由
于机构是连续运动的,也就是机构运动不会突变的特性,所以在极小时间点内对机构运动
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