基于陀螺的视轴稳定控制系统的研究

蔡立华

【摘 要】 本文针对基于陀螺的视轴稳定控制回路的模型，对视轴稳定的控制回路控制模型和隔离度进行了分析，提出了速度稳定环应具有高的开环增益和适当的带宽，以保证速度稳定环对载体运动的干扰。

【关键词】 隔离度 速度环

1 引言

舰载光电跟踪设备具有高精度的测距、测角和实时高分辨率成像等功能，在海上准确测量、舰载机的着舰引导及火控武器的精准打击等领域具有至关重要的地位。而要想舰载光电跟踪设备发挥更大的作用，必须进一步提高其视轴抵抗船摇扰动的能力，从而完成对目标稳定、精准的跟踪，所以视轴稳定控制系统要求具有快速的响应、高精度和较强的抗干扰性能。本文重点研究基于陀螺的视轴稳定控制系统伺服回路的关键问题，并提出了速度稳定环应具备的性能要求。

2 视轴稳定伺服控制回路关键问题分析

2.1 基于陀螺的视轴稳定控制系统模型

视轴稳定控制系统的结构图如图1所示，控制系统由陀螺速度反馈组成的速度稳定环，编码器反馈的位置环及前馈控制组成。

在图1中，θT为目标位置，θP为跟踪框架位置，θT -θP为位置跟踪误差，为速率陀螺测出的框架角速度。根据各个环节的数学模型可得出，整个视轴稳定控制系统的数学模型如图2所示。

其中：为电视跟踪系统的传递函数，为位置回路校正函数为速度回路校正函数功率驱动器的放大倍数，为直流力矩电机的传递函数，为陀螺低通滤波器的比例系数，为陀螺的传递函数的放大倍数，为干扰力矩，为系统的角度输入。

2.2 视轴稳定回路控制模型分析

从视轴控制回路的模型图中我们可以看出：陀螺既是普通的测速元件，又能测量载体的运动耦合到视轴的惯性空间的角速度，所以在设计视轴稳定回路时，应考虑以下三个方面方面：

（1）跟随指令输入；

（2）克服摩擦等干扰力矩；

（3）隔离载体耦合扰动。

从图2可以得出，视轴平台输出角速度为：

（1）

由式（1）可以看出， 指令速率、基座扰动和力矩扰动共同影响视轴平台角速度，所以在设计稳定回路时，必须保证对和的良好跟踪，同时有效抑制所带来的影响。在设计补偿环节时，需保证：则上式可以表示为：

（2）

由式（1）和式（2）可见，为了隔离载体无论从隔离载体耦合运动，抵抗摩擦力矩扰动，还是提高对指令速率的跟踪能力均需要提高系统的开环增益。

2.3 伺服系统隔离度分析

隔离度的数学模型如式（3）所示

（3）

其中，表示隔离度，表示视轴相对于惯性空间晃动的角度，表示载体转动的角度。

数值越小，表示视轴受载体扰动的影响越小。

在基于陀螺的视轴稳定控制系统中，视轴稳定的伺服系统如图3所示。

在图3中，GA（s）为速率稳定回路前向通道传递函数，满足：

（4）

HB（s）为速率稳定回路反馈通道传递函数，满足：

（5）

θd表示各种干扰力矩引起的视轴角度的变化；θ0表示扰动后视轴相对惯性空间的角位置；θlos为给定角位置。GP（s）为位置回路调节器；HP（s）为位置跟踪回路反馈通道传递函数，一般情况下，可将其设为1。

从图3中，可以推导出e（s）相对于θlos和θd的传递函数为

（6）

其中：

ei（s）为由于目标的运动，系统产生的跟踪角误差，ed（s）为视轴受载体干扰，视轴产生的误差。

视轴指向误差相对载体运动的误差传递函数为：

（7）

式中：

隔离度用分贝值表示，定义为载体运动的角度与由于载体运动引起的视轴晃动的角度之比。它表示视轴抵抗载体角运动的能力，数值越大，表示抵抗载体干扰运动的能力越强。具体的隔离度的公式式（8）所示。

（8）

称为系统对载体运动的隔离度，该参数体现了速率稳定环的隔离效果，则体现了位置回路本身所起的隔离作用。

由上述分析可以得到以下结论：

（1）在基于陀螺反馈的视轴稳定控制中，速度稳定环和位置环对于载体的扰动都有隔离的作用，但由于位置环的跟踪传感器存在滞后，带宽低，所以位置环只对低帧频的载体的运动具有隔离运动，对于高频的载体运动，主要依靠速度稳定环来抵抗。

（2）由隔离度的公式可以，速度环的开环传递函数决定了速度环的隔离能力，所以速度环应具有高开环增益和高带宽的性能。

3 结语

本文针对舰载光电跟踪系统视轴稳定问题，对视轴稳定的控制回路进行了分析，通过对稳定回路隔离度的分析，提出了视轴稳定控制回路的速度稳定环应满足的性能要求，为视轴稳定控制算法和视轴稳定速度环的设计提供了理论的指导。

参考文献：

[1]姬伟.陀螺稳定光电跟踪平台伺服控制系统的研究.东南大学博士学位论文，2006.

[2]李洁.机（舰）_载目标真值测量设备伺服控制系统的研究.中科院博士学位论文，2002.

[3]王凤英.船载电视跟踪仪自稳定问题研究.大连海事大学，硕士论文，2005.

[4]王合龙，朱培申，姜世发.陀螺稳定平台框架伺服系统变结构控制器的设计和仿真.电光与控制，1998.endprint

【摘 要】 本文针对基于陀螺的视轴稳定控制回路的模型，对视轴稳定的控制回路控制模型和隔离度进行了分析，提出了速度稳定环应具有高的开环增益和适当的带宽，以保证速度稳定环对载体运动的干扰。

【关键词】 隔离度 速度环

1 引言

舰载光电跟踪设备具有高精度的测距、测角和实时高分辨率成像等功能，在海上准确测量、舰载机的着舰引导及火控武器的精准打击等领域具有至关重要的地位。而要想舰载光电跟踪设备发挥更大的作用，必须进一步提高其视轴抵抗船摇扰动的能力，从而完成对目标稳定、精准的跟踪，所以视轴稳定控制系统要求具有快速的响应、高精度和较强的抗干扰性能。本文重点研究基于陀螺的视轴稳定控制系统伺服回路的关键问题，并提出了速度稳定环应具备的性能要求。

2 视轴稳定伺服控制回路关键问题分析

2.1 基于陀螺的视轴稳定控制系统模型

视轴稳定控制系统的结构图如图1所示，控制系统由陀螺速度反馈组成的速度稳定环，编码器反馈的位置环及前馈控制组成。

在图1中，θT为目标位置，θP为跟踪框架位置，θT -θP为位置跟踪误差，为速率陀螺测出的框架角速度。根据各个环节的数学模型可得出，整个视轴稳定控制系统的数学模型如图2所示。

其中：为电视跟踪系统的传递函数，为位置回路校正函数为速度回路校正函数功率驱动器的放大倍数，为直流力矩电机的传递函数，为陀螺低通滤波器的比例系数，为陀螺的传递函数的放大倍数，为干扰力矩，为系统的角度输入。

2.2 视轴稳定回路控制模型分析

从视轴控制回路的模型图中我们可以看出：陀螺既是普通的测速元件，又能测量载体的运动耦合到视轴的惯性空间的角速度，所以在设计视轴稳定回路时，应考虑以下三个方面方面：

（1）跟随指令输入；

（2）克服摩擦等干扰力矩；

（3）隔离载体耦合扰动。

从图2可以得出，视轴平台输出角速度为：

（1）

由式（1）可以看出， 指令速率、基座扰动和力矩扰动共同影响视轴平台角速度，所以在设计稳定回路时，必须保证对和的良好跟踪，同时有效抑制所带来的影响。在设计补偿环节时，需保证：则上式可以表示为：

（2）

由式（1）和式（2）可见，为了隔离载体无论从隔离载体耦合运动，抵抗摩擦力矩扰动，还是提高对指令速率的跟踪能力均需要提高系统的开环增益。

2.3 伺服系统隔离度分析

隔离度的数学模型如式（3）所示

（3）

其中，表示隔离度，表示视轴相对于惯性空间晃动的角度，表示载体转动的角度。

数值越小，表示视轴受载体扰动的影响越小。

在基于陀螺的视轴稳定控制系统中，视轴稳定的伺服系统如图3所示。

在图3中，GA（s）为速率稳定回路前向通道传递函数，满足：

（4）

HB（s）为速率稳定回路反馈通道传递函数，满足：

（5）

θd表示各种干扰力矩引起的视轴角度的变化；θ0表示扰动后视轴相对惯性空间的角位置；θlos为给定角位置。GP（s）为位置回路调节器；HP（s）为位置跟踪回路反馈通道传递函数，一般情况下，可将其设为1。

从图3中，可以推导出e（s）相对于θlos和θd的传递函数为

（6）

其中：

ei（s）为由于目标的运动，系统产生的跟踪角误差，ed（s）为视轴受载体干扰，视轴产生的误差。

视轴指向误差相对载体运动的误差传递函数为：

（7）

式中：

隔离度用分贝值表示，定义为载体运动的角度与由于载体运动引起的视轴晃动的角度之比。它表示视轴抵抗载体角运动的能力，数值越大，表示抵抗载体干扰运动的能力越强。具体的隔离度的公式式（8）所示。

（8）

称为系统对载体运动的隔离度，该参数体现了速率稳定环的隔离效果，则体现了位置回路本身所起的隔离作用。

由上述分析可以得到以下结论：

（1）在基于陀螺反馈的视轴稳定控制中，速度稳定环和位置环对于载体的扰动都有隔离的作用，但由于位置环的跟踪传感器存在滞后，带宽低，所以位置环只对低帧频的载体的运动具有隔离运动，对于高频的载体运动，主要依靠速度稳定环来抵抗。

（2）由隔离度的公式可以，速度环的开环传递函数决定了速度环的隔离能力，所以速度环应具有高开环增益和高带宽的性能。

3 结语

本文针对舰载光电跟踪系统视轴稳定问题，对视轴稳定的控制回路进行了分析，通过对稳定回路隔离度的分析，提出了视轴稳定控制回路的速度稳定环应满足的性能要求，为视轴稳定控制算法和视轴稳定速度环的设计提供了理论的指导。

参考文献：

[1]姬伟.陀螺稳定光电跟踪平台伺服控制系统的研究.东南大学博士学位论文，2006.

[2]李洁.机（舰）_载目标真值测量设备伺服控制系统的研究.中科院博士学位论文，2002.

[3]王凤英.船载电视跟踪仪自稳定问题研究.大连海事大学，硕士论文，2005.

[4]王合龙，朱培申，姜世发.陀螺稳定平台框架伺服系统变结构控制器的设计和仿真.电光与控制，1998.endprint

【摘 要】 本文针对基于陀螺的视轴稳定控制回路的模型，对视轴稳定的控制回路控制模型和隔离度进行了分析，提出了速度稳定环应具有高的开环增益和适当的带宽，以保证速度稳定环对载体运动的干扰。

【关键词】 隔离度 速度环

1 引言

舰载光电跟踪设备具有高精度的测距、测角和实时高分辨率成像等功能，在海上准确测量、舰载机的着舰引导及火控武器的精准打击等领域具有至关重要的地位。而要想舰载光电跟踪设备发挥更大的作用，必须进一步提高其视轴抵抗船摇扰动的能力，从而完成对目标稳定、精准的跟踪，所以视轴稳定控制系统要求具有快速的响应、高精度和较强的抗干扰性能。本文重点研究基于陀螺的视轴稳定控制系统伺服回路的关键问题，并提出了速度稳定环应具备的性能要求。

2 视轴稳定伺服控制回路关键问题分析

2.1 基于陀螺的视轴稳定控制系统模型

视轴稳定控制系统的结构图如图1所示，控制系统由陀螺速度反馈组成的速度稳定环，编码器反馈的位置环及前馈控制组成。

在图1中，θT为目标位置，θP为跟踪框架位置，θT -θP为位置跟踪误差，为速率陀螺测出的框架角速度。根据各个环节的数学模型可得出，整个视轴稳定控制系统的数学模型如图2所示。

其中：为电视跟踪系统的传递函数，为位置回路校正函数为速度回路校正函数功率驱动器的放大倍数，为直流力矩电机的传递函数，为陀螺低通滤波器的比例系数，为陀螺的传递函数的放大倍数，为干扰力矩，为系统的角度输入。

2.2 视轴稳定回路控制模型分析

从视轴控制回路的模型图中我们可以看出：陀螺既是普通的测速元件，又能测量载体的运动耦合到视轴的惯性空间的角速度，所以在设计视轴稳定回路时，应考虑以下三个方面方面：

（1）跟随指令输入；

（2）克服摩擦等干扰力矩；

（3）隔离载体耦合扰动。

从图2可以得出，视轴平台输出角速度为：

（1）

由式（1）可以看出， 指令速率、基座扰动和力矩扰动共同影响视轴平台角速度，所以在设计稳定回路时，必须保证对和的良好跟踪，同时有效抑制所带来的影响。在设计补偿环节时，需保证：则上式可以表示为：

（2）

由式（1）和式（2）可见，为了隔离载体无论从隔离载体耦合运动，抵抗摩擦力矩扰动，还是提高对指令速率的跟踪能力均需要提高系统的开环增益。

2.3 伺服系统隔离度分析

隔离度的数学模型如式（3）所示

（3）

其中，表示隔离度，表示视轴相对于惯性空间晃动的角度，表示载体转动的角度。

数值越小，表示视轴受载体扰动的影响越小。

在基于陀螺的视轴稳定控制系统中，视轴稳定的伺服系统如图3所示。

在图3中，GA（s）为速率稳定回路前向通道传递函数，满足：

（4）

HB（s）为速率稳定回路反馈通道传递函数，满足：

（5）

θd表示各种干扰力矩引起的视轴角度的变化；θ0表示扰动后视轴相对惯性空间的角位置；θlos为给定角位置。GP（s）为位置回路调节器；HP（s）为位置跟踪回路反馈通道传递函数，一般情况下，可将其设为1。

从图3中，可以推导出e（s）相对于θlos和θd的传递函数为

（6）

其中：

ei（s）为由于目标的运动，系统产生的跟踪角误差，ed（s）为视轴受载体干扰，视轴产生的误差。

视轴指向误差相对载体运动的误差传递函数为：

（7）

式中：

隔离度用分贝值表示，定义为载体运动的角度与由于载体运动引起的视轴晃动的角度之比。它表示视轴抵抗载体角运动的能力，数值越大，表示抵抗载体干扰运动的能力越强。具体的隔离度的公式式（8）所示。

（8）

称为系统对载体运动的隔离度，该参数体现了速率稳定环的隔离效果，则体现了位置回路本身所起的隔离作用。

由上述分析可以得到以下结论：

（1）在基于陀螺反馈的视轴稳定控制中，速度稳定环和位置环对于载体的扰动都有隔离的作用，但由于位置环的跟踪传感器存在滞后，带宽低，所以位置环只对低帧频的载体的运动具有隔离运动，对于高频的载体运动，主要依靠速度稳定环来抵抗。

（2）由隔离度的公式可以，速度环的开环传递函数决定了速度环的隔离能力，所以速度环应具有高开环增益和高带宽的性能。

3 结语

本文针对舰载光电跟踪系统视轴稳定问题，对视轴稳定的控制回路进行了分析，通过对稳定回路隔离度的分析，提出了视轴稳定控制回路的速度稳定环应满足的性能要求，为视轴稳定控制算法和视轴稳定速度环的设计提供了理论的指导。

参考文献：

[1]姬伟.陀螺稳定光电跟踪平台伺服控制系统的研究.东南大学博士学位论文，2006.

[2]李洁.机（舰）_载目标真值测量设备伺服控制系统的研究.中科院博士学位论文，2002.

[3]王凤英.船载电视跟踪仪自稳定问题研究.大连海事大学，硕士论文，2005.

[4]王合龙，朱培申，姜世发.陀螺稳定平台框架伺服系统变结构控制器的设计和仿真.电光与控制，1998.endprint