基于陀螺的視軸穩定控制系統的研究

蔡立華

【摘 要】 本文針對基于陀螺的視軸穩定控制回路的模型，對視軸穩定的控制回路控制模型和隔離度進行了分析，提出了速度穩定環應具有高的開環增益和適當的帶寬，以保證速度穩定環對載體運動的干擾。

【關鍵詞】 隔離度 速度環

1 引言

艦載光電跟蹤設備具有高精度的測距、測角和實時高分辨率成像等功能，在海上準確測量、艦載機的著艦引導及火控武器的精準打擊等領域具有至關重要的地位。而要想艦載光電跟蹤設備發揮更大的作用，必須進一步提高其視軸抵抗船搖擾動的能力，從而完成對目標穩定、精準的跟蹤，所以視軸穩定控制系統要求具有快速的響應、高精度和較強的抗干擾性能。本文重點研究基于陀螺的視軸穩定控制系統伺服回路的關鍵問題，并提出了速度穩定環應具備的性能要求。

2 視軸穩定伺服控制回路關鍵問題分析

2.1 基于陀螺的視軸穩定控制系統模型

視軸穩定控制系統的結構圖如圖1所示，控制系統由陀螺速度反饋組成的速度穩定環，編碼器反饋的位置環及前饋控制組成。

在圖1中，θT為目標位置，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。根據各個環節的數學模型可得出，整個視軸穩定控制系統的數學模型如圖2所示。

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

2.2 視軸穩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，又能測量載體的運動耦合到視軸的慣性空間的角速度，所以在設計視軸穩定回路時，應考慮以下三個方面方面：

（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、基座擾動和力矩擾動共同影響視軸平臺角速度，所以在設計穩定回路時，必須保證對和的良好跟蹤，同時有效抑制所帶來的影響。在設計補償環節時，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動，抵抗摩擦力矩擾動，還是提高對指令速率的跟蹤能力均需要提高系統的開環增益。

2.3 伺服系統隔離度分析

隔離度的數學模型如式（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，表示載體轉動的角度。

數值越小，表示視軸受載體擾動的影響越小。

在基于陀螺的視軸穩定控制系統中，視軸穩定的伺服系統如圖3所示。

在圖3中，GA（s）為速率穩定回路前向通道傳遞函數，滿足：

（4）

HB（s）為速率穩定回路反饋通道傳遞函數，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）為位置回路調節器；HP（s）為位置跟蹤回路反饋通道傳遞函數，一般情況下，可將其設為1。

從圖3中，可以推導出e（s）相對于θlos和θd的傳遞函數為

（6）

其中：

ei（s）為由于目標的運動，系統產生的跟蹤角誤差，ed（s）為視軸受載體干擾，視軸產生的誤差。

視軸指向誤差相對載體運動的誤差傳遞函數為：

（7）

式中：

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

（8）

稱為系統對載體運動的隔離度，該參數體現了速率穩定環的隔離效果，則體現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論：

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

（2）由隔離度的公式可以，速度環的開環傳遞函數決定了速度環的隔離能力，所以速度環應具有高開環增益和高帶寬的性能。

3 結語

本文針對艦載光電跟蹤系統視軸穩定問題，對視軸穩定的控制回路進行了分析，通過對穩定回路隔離度的分析，提出了視軸穩定控制回路的速度穩定環應滿足的性能要求，為視軸穩定控制算法和視軸穩定速度環的設計提供了理論的指導。

參考文獻：

[1]姬偉.陀螺穩定光電跟蹤平臺伺服控制系統的研究.東南大學博士學位論文，2006.

[2]李潔.機（艦）_載目標真值測量設備伺服控制系統的研究.中科院博士學位論文，2002.

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

[4]王合龍，朱培申，姜世發.陀螺穩定平臺框架伺服系統變結構控制器的設計和仿真.電光與控制，1998.endprint

【摘 要】 本文針對基于陀螺的視軸穩定控制回路的模型，對視軸穩定的控制回路控制模型和隔離度進行了分析，提出了速度穩定環應具有高的開環增益和適當的帶寬，以保證速度穩定環對載體運動的干擾。

【關鍵詞】 隔離度 速度環

1 引言

艦載光電跟蹤設備具有高精度的測距、測角和實時高分辨率成像等功能，在海上準確測量、艦載機的著艦引導及火控武器的精準打擊等領域具有至關重要的地位。而要想艦載光電跟蹤設備發揮更大的作用，必須進一步提高其視軸抵抗船搖擾動的能力，從而完成對目標穩定、精準的跟蹤，所以視軸穩定控制系統要求具有快速的響應、高精度和較強的抗干擾性能。本文重點研究基于陀螺的視軸穩定控制系統伺服回路的關鍵問題，并提出了速度穩定環應具備的性能要求。

2 視軸穩定伺服控制回路關鍵問題分析

2.1 基于陀螺的視軸穩定控制系統模型

視軸穩定控制系統的結構圖如圖1所示，控制系統由陀螺速度反饋組成的速度穩定環，編碼器反饋的位置環及前饋控制組成。

在圖1中，θT為目標位置，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。根據各個環節的數學模型可得出，整個視軸穩定控制系統的數學模型如圖2所示。

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

2.2 視軸穩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，又能測量載體的運動耦合到視軸的慣性空間的角速度，所以在設計視軸穩定回路時，應考慮以下三個方面方面：

（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、基座擾動和力矩擾動共同影響視軸平臺角速度，所以在設計穩定回路時，必須保證對和的良好跟蹤，同時有效抑制所帶來的影響。在設計補償環節時，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動，抵抗摩擦力矩擾動，還是提高對指令速率的跟蹤能力均需要提高系統的開環增益。

2.3 伺服系統隔離度分析

隔離度的數學模型如式（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，表示載體轉動的角度。

數值越小，表示視軸受載體擾動的影響越小。

在基于陀螺的視軸穩定控制系統中，視軸穩定的伺服系統如圖3所示。

在圖3中，GA（s）為速率穩定回路前向通道傳遞函數，滿足：

（4）

HB（s）為速率穩定回路反饋通道傳遞函數，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）為位置回路調節器；HP（s）為位置跟蹤回路反饋通道傳遞函數，一般情況下，可將其設為1。

從圖3中，可以推導出e（s）相對于θlos和θd的傳遞函數為

（6）

其中：

ei（s）為由于目標的運動，系統產生的跟蹤角誤差，ed（s）為視軸受載體干擾，視軸產生的誤差。

視軸指向誤差相對載體運動的誤差傳遞函數為：

（7）

式中：

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

（8）

稱為系統對載體運動的隔離度，該參數體現了速率穩定環的隔離效果，則體現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論：

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

（2）由隔離度的公式可以，速度環的開環傳遞函數決定了速度環的隔離能力，所以速度環應具有高開環增益和高帶寬的性能。

3 結語

本文針對艦載光電跟蹤系統視軸穩定問題，對視軸穩定的控制回路進行了分析，通過對穩定回路隔離度的分析，提出了視軸穩定控制回路的速度穩定環應滿足的性能要求，為視軸穩定控制算法和視軸穩定速度環的設計提供了理論的指導。

參考文獻：

[1]姬偉.陀螺穩定光電跟蹤平臺伺服控制系統的研究.東南大學博士學位論文，2006.

[2]李潔.機（艦）_載目標真值測量設備伺服控制系統的研究.中科院博士學位論文，2002.

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

[4]王合龍，朱培申，姜世發.陀螺穩定平臺框架伺服系統變結構控制器的設計和仿真.電光與控制，1998.endprint

【摘 要】 本文針對基于陀螺的視軸穩定控制回路的模型，對視軸穩定的控制回路控制模型和隔離度進行了分析，提出了速度穩定環應具有高的開環增益和適當的帶寬，以保證速度穩定環對載體運動的干擾。

【關鍵詞】 隔離度 速度環

1 引言

艦載光電跟蹤設備具有高精度的測距、測角和實時高分辨率成像等功能，在海上準確測量、艦載機的著艦引導及火控武器的精準打擊等領域具有至關重要的地位。而要想艦載光電跟蹤設備發揮更大的作用，必須進一步提高其視軸抵抗船搖擾動的能力，從而完成對目標穩定、精準的跟蹤，所以視軸穩定控制系統要求具有快速的響應、高精度和較強的抗干擾性能。本文重點研究基于陀螺的視軸穩定控制系統伺服回路的關鍵問題，并提出了速度穩定環應具備的性能要求。

2 視軸穩定伺服控制回路關鍵問題分析

2.1 基于陀螺的視軸穩定控制系統模型

視軸穩定控制系統的結構圖如圖1所示，控制系統由陀螺速度反饋組成的速度穩定環，編碼器反饋的位置環及前饋控制組成。

在圖1中，θT為目標位置，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。根據各個環節的數學模型可得出，整個視軸穩定控制系統的數學模型如圖2所示。

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

2.2 視軸穩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，又能測量載體的運動耦合到視軸的慣性空間的角速度，所以在設計視軸穩定回路時，應考慮以下三個方面方面：

（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、基座擾動和力矩擾動共同影響視軸平臺角速度，所以在設計穩定回路時，必須保證對和的良好跟蹤，同時有效抑制所帶來的影響。在設計補償環節時，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動，抵抗摩擦力矩擾動，還是提高對指令速率的跟蹤能力均需要提高系統的開環增益。

2.3 伺服系統隔離度分析

隔離度的數學模型如式（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，表示載體轉動的角度。

數值越小，表示視軸受載體擾動的影響越小。

在基于陀螺的視軸穩定控制系統中，視軸穩定的伺服系統如圖3所示。

在圖3中，GA（s）為速率穩定回路前向通道傳遞函數，滿足：

（4）

HB（s）為速率穩定回路反饋通道傳遞函數，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）為位置回路調節器；HP（s）為位置跟蹤回路反饋通道傳遞函數，一般情況下，可將其設為1。

從圖3中，可以推導出e（s）相對于θlos和θd的傳遞函數為

（6）

其中：

ei（s）為由于目標的運動，系統產生的跟蹤角誤差，ed（s）為視軸受載體干擾，視軸產生的誤差。

視軸指向誤差相對載體運動的誤差傳遞函數為：

（7）

式中：

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

（8）

稱為系統對載體運動的隔離度，該參數體現了速率穩定環的隔離效果，則體現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論：

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

（2）由隔離度的公式可以，速度環的開環傳遞函數決定了速度環的隔離能力，所以速度環應具有高開環增益和高帶寬的性能。

3 結語

本文針對艦載光電跟蹤系統視軸穩定問題，對視軸穩定的控制回路進行了分析，通過對穩定回路隔離度的分析，提出了視軸穩定控制回路的速度穩定環應滿足的性能要求，為視軸穩定控制算法和視軸穩定速度環的設計提供了理論的指導。

參考文獻：

[1]姬偉.陀螺穩定光電跟蹤平臺伺服控制系統的研究.東南大學博士學位論文，2006.

[2]李潔.機（艦）_載目標真值測量設備伺服控制系統的研究.中科院博士學位論文，2002.

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

[4]王合龍，朱培申，姜世發.陀螺穩定平臺框架伺服系統變結構控制器的設計和仿真.電光與控制，1998.endprint