1、慣性穩(wěn)定平臺(Inertially Stabilized Plafform，ISP)又稱作陀螺穩(wěn)定平臺(Gyroscope Stabilized Platfor，GSP)，是飛行器、艦船和車輛等進行慣性導航、制導和測量的核心設備。它能夠有效隔離載體擾動并保持平臺穩(wěn)定，使搭載的光學儀器的視軸(Line Of Sight, LOS)保持相對慣性空間的指向，或根據(jù)指令對目標物體進行瞄準和跟蹤。作為現(xiàn)代軍用戰(zhàn)機中的關鍵設備，高精度、超遠距離目標

2、識別及實時成像的穩(wěn)定平臺的研制，已成為世界各國軍備競賽的一個關鍵突破點。在硬件設施已定的情況下，如何從控制策略上提升穩(wěn)定平臺對機體擾動的隔離性能，從而進一步提高穩(wěn)定精度，是本課題研究的切入點。
　　在慣性穩(wěn)定平臺的伺服系統(tǒng)中，以陀螺儀為核心裝置的速度穩(wěn)定環(huán)是整個平臺實現(xiàn)隔離機體擾動的關鍵部分。工程應用中，由于設計成熟和實用性強，速度穩(wěn)定環(huán)中的控制器通常采用PID、超前滯后等線性控制器。這類控制器雖然有不錯的精度，卻很難進一步地提升

3、性能。究其原因主要有兩點:(1)穩(wěn)定平臺通常工作在低頻低速環(huán)境下，線性控制器對非線性摩擦力的抑制有限，使摩擦力成為控制誤差中的主導因素;(2)傳統(tǒng)控制器在設計時通常依賴被控對象在頻域中辨識得到的線性模型，沒有考慮未建模部分和系統(tǒng)參數(shù)變化造成的影響?；谝陨蟽牲c原因，以原有控制系統(tǒng)為基礎，采取適當?shù)目刂撇呗钥朔€(wěn)定平臺的主要誤差，進一步提升速度穩(wěn)定環(huán)的隔離度性能，是本課題的研究內容。
　　本課題是中國科學技術大學與中國科學院長春光學

4、精密機械與物理研究所超精密控制與系統(tǒng)聯(lián)合實驗室的合作項目(NO.KD1012210167)。研究對象是具有微弧度量級的軍用兩軸四框架機載慣性穩(wěn)定平臺。研究目的是提升穩(wěn)定平臺中速度穩(wěn)定環(huán)的隔離度性能，以此為中心進行建模分析和控制器設計等相關研究工作。本論文的主要研究內容包括以下幾點:
　　(1)建立穩(wěn)定平臺中速度穩(wěn)定環(huán)的高精度模型，為后面控制策略的設計奠定基礎。首先通過平臺中直流力矩電機的動力學方程，建立速度穩(wěn)定環(huán)的機理線性模型，并

5、利用電流環(huán)的特性進行簡化。通過實際實驗數(shù)據(jù)進行線性模型辨識，觀察平臺在低頻低速工作環(huán)境下受到的非線性摩擦力的特征?；赟tribeck摩擦模型，針對平臺特點提出兩種改進的精細化的摩擦模型，用來描述不同型號穩(wěn)定平臺中的非線性摩擦力矩。將機理推導的線性模型與改進的Stribeck摩擦模型相結合，得到速度穩(wěn)定環(huán)的綜合非線性模型。針對該模型的非線性和多參數(shù)特征，采用具有全局尋優(yōu)能力的遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)進行參數(shù)辨

6、識。對辨識所得的模型在均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)和隔離度兩方面性能上進行分析和驗證，確定模型的高精度和適用性。并建立速度穩(wěn)定環(huán)在MATLAB中Simulink環(huán)境下的仿真系統(tǒng)。
　　(2)基于辨識得到的模型，設計、優(yōu)化非線性摩擦力的前饋補償策略，應用到實際的慣性穩(wěn)定平臺中，實現(xiàn)速度穩(wěn)定環(huán)的高精度控制。根據(jù)非線性摩擦力模型部分，設計相應的前饋補償策略，并在仿真平臺中實現(xiàn)。針對工程應用中的某

7、些具體因素，對前饋補償量進行優(yōu)化設計。然后將前饋補償策略在調試平臺的擾動跟蹤系統(tǒng)中進行實際實驗，驗證該策略的有效性。最后將補償策略應用到平臺實際工作的擾動隔離系統(tǒng)中，通過實際實驗進行性能對比分析。
　　(3)在摩擦力前饋補償?shù)幕A上，建立兩種直觀的模型參考自適應控制(Model Reference Adaptive Control，MRAC)。第一種MRAC是基于連續(xù)時間域的狀態(tài)空間方程，第二種MRAC是基于離散時間域的梯度下降法

8、。在載體擾動跟蹤系統(tǒng)的仿真實驗中檢驗兩種MRAC的有效性和對非線性摩擦力干擾的抵抗能力。由于在平臺實際應用中載體擾動信號不可測，因此根據(jù)穩(wěn)定平臺中多框架的運動學方程推導載體擾動觀測器。最后將兩種MRAC應用在穩(wěn)定平臺的擾動隔離系統(tǒng)中，進行實際實驗和性能分析。
　　(4)基于離散時間域重新考慮直接型MRAC在速度穩(wěn)定環(huán)中的設計問題，使控制算法具備規(guī)范型。通過模型匹配和條件假設來確定可調控制器的存在性和唯一性，并根據(jù)匹配方程推導控制律

9、和參數(shù)估計觀測方程，得到控制器和自適應律相對獨立設計的MRAC規(guī)范型結構。選擇改進投影算法和漸消記憶遞推最小二乘法設計自適應律，并在擾動跟蹤系統(tǒng)的仿真實驗中驗證這兩種MRAC的性能。利用控制結構圖分析MRAC的穩(wěn)定性和收斂性條件。將這兩種控制器應用在平臺實際工作的擾動隔離系統(tǒng)中，進行實驗研究和性能分析。最后對本論文中的四種MRAC從原理、結構、仿真實驗和實際實驗性能等方面進行綜合比較。
　　本論文對機載慣性穩(wěn)定平臺的研究方法、實驗