高精度转台伺服控制系统的设计
摘 要
飞行仿真转台是一类高精度位置伺服系统，它广泛的应用于航海、航天等领域，采 用飞行仿真转台进行半实物仿真不仅加快了武器和飞行控制系统的研制过程，而且大大 减少了研制经费。随着航海、航天技术的飞速发展，对飞行仿真转台的性能和精度提出 了更高的要求。但是，以摩擦力矩为主的非线性干扰严重地影响了转台的跟踪性能，尤 其当系统低速运行时影响更为突出。因此，在控制算法上设计控制律消除摩擦影响，实 现飞行转台的高精度控制具有重要的意义。
如果针对飞行转台不仅有精确的控制方法而且还有方便准确的位置、速度测量方 法，那么该转台就可以完成一系列半实物仿真的相关试验，这样不仅降低了生产飞行仿 真转台系统的成本，而且有效地提高了飞行仿真转台的生产效率。本文主要从控制算法 和位置、速度测量方法两方面进行创新性研究。
针对飞行转台高精度控制算法进行研究，提出一些新的观点和方法。论文创新点如 下：
（1）为了消除传统 PD 控制时出现的“平顶”现象，本文在 PD 控制的基础上，利 用迭代控制从两方面进行改善：提出 PD 型迭代控制，通过迭代逐步消除了“平顶”； 从自适应补偿的角度进行考虑，采用迭代控制设计自适应律来修正 PD 控制器，从而达 到高精度控制。
（2）为了进一步提高系统的收敛速度，获得更好的跟踪性能，本文将迭代控制与 滑模控制相结合。利用滑模控制响应速度快、鲁棒性强的优点解决迭代控制的“收敛速 度”、“鲁棒性”问题，利用迭代控制逐步获得滑模控制的“滑动模态稳定性条件”。 两者相互结合，充分发挥了各自的优势。
针对位置、速度测量方法进行的研究： 微分器无需被控对象的数学模型，可以迅速准确的获取位置、速度信息，用于系统
的反馈控制中，不仅可以避免常规后项差分算法误差放大的问题，而且能够节省硬件成 本。本文在对微分器研究的基础上，采用具有全程快速收敛的混合跟踪微分器观测系统 状态，并将观测值作为控制器输入对飞行仿真转台进行控制。
关键词：飞行仿真转台；迭代学习控制；滑模变结构控制；微分器
目 录
摘 要.................................................................................................................................... I Abstract .....................................................................................................................................II
1 绪论....................................................................................................................................... 1
1.1 课题研究的背景及意义........................................................................................... 1
1.2 飞行仿真转台国内外发展概况.............................................................................. 1
1.2.1 国外研究情况................................................................................................. 2
1.2.2 国内研究情况................................................................................................. 2
1.3 飞行仿真转台的分类............................................................................................... 3
1.4 飞行仿真转台的主要性能指标.............................................................................. 5
1.5 飞行仿真转台控制策略........................................................................................... 5
1.6 论文主要工作及结构安排 ...................................................................................... 7
2 飞行仿真转台及其数学模型............................................................................................. 8
2.1 飞行仿真转台及控制系统的构成.......................................................................... 8
2.2 飞行仿真转台理想数学模型的建立...................................................................... 9
2.3 飞行仿真转台低速摩擦分析及其非线性数学模型的建立 .............................. 13
2.3.1 摩擦对系统性能的影响.............................................................................. 14
2.3.2 带摩擦的非线性数学模型.......................................................................... 15
3 迭代学习控制理论............................................................................................................ 17
3.1 迭代学习控制的基本描述 .................................................................................... 17
3.2 迭代学习控制的数学准备 .................................................................................... 18
3.3 迭代学习控制存在的问题 .................................................................................... 20
3.4 迭代控制算法与其它控制算法的关系................................................................ 21
4 飞行仿真转台迭代控制 ................................................................................................... 22
4.1 传统 PID 控制......................................................................................................... 22
4.1.1 转台伺服系统的 PD 控制策略 .................................................................. 22
4.1.2 仿真分析....................................................................................................... 23
4.2 PD 型迭代控制........................................................................................................ 24
4.2.1 转台伺服系统的 PD 型迭代控制策略...................................................... 25
4.2.2 仿真分析....................................................................................................... 25
4.3 飞行仿真转台的自适应迭代学习控制................................................................ 27
4.3.1 自适应迭代学习控制器的设计 .................................................................. 28
4.3.2 收敛性分析................................................................................................... 29
4.3.3 仿真分析....................................................................................................... 32
5 飞行仿真转台滑模迭代控制........................................................................................... 35
5.1 滑模变结构控制理论............................................................................................. 35
5.1.1 滑模变结构控制基本原理.......................................................................... 35
5.1.2 滑模变结构控制的设计步骤...................................................................... 36
5.1.3 滑模变结构控制的抖振问题...................................................................... 38
5.2 滑模控制器的设计................................................................................................. 39
5.2.1 系统描述....................................................................................................... 39
5.2.2 控制器设计................................................................................................... 40
5.2.3 仿真分析....................................................................................................... 41
5.3 滑模迭代学习控制器的设计 ................................................................................ 42
5.3.1 控制器设计................................................................................................... 43
5.3.2 收敛性分析................................................................................................... 44
5.3.3 仿真分析....................................................................................................... 49
6 转台基于微分器的研究 ................................................................................................... 52
6.1 微分器介绍 .............................................................................................................. 52
6.1.1 微分器的由来............................................................................................... 52
6.1.2 经典微分器................................................................................................... 54
6.2 混合跟踪微分器..................................................................................................... 55
6.2.1 线性微分器设计 .......................................................................................... 55
6.2.2 非线性微分器设计 ...................................................................................... 55
6.2.3 混合微分器设计 .......................................................................................... 56
6.2.4 混合微分器收敛性证明.............................................................................. 57
6.3 基于混合微分器的滑模迭代学习控制................................................................ 59 结 论................................................................................................................................. 64 参考文献 ................................................................................................................................ 65 在学研究成果........................................................................................................................ 68 致 谢................................................................................................................................. 69
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