測控天線控制系統(tǒng)的抗擾動設(shè)計(jì).pdf

1、“十二五”規(guī)劃期間，隨著我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，面向載人航天器空間交會對接、月球與深空探測、空間目標(biāo)識別等不同任務(wù)需求的測控設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，對測控天線的跟蹤指向精度、抗擾能力和可靠性提出了更高要求。本文以某型號航天測控天線控制系統(tǒng)為研究對象，為解決大型測控天線控制系統(tǒng)在復(fù)雜干擾條件下的高精度跟蹤控制問題，深入研究了天線控制系統(tǒng)動力學(xué)模型建立、內(nèi)環(huán)伺服系統(tǒng)PID參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、高精度位置跟蹤控制和風(fēng)擾、摩擦補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵問題，設(shè)計(jì)了一種新穎的基于

2、自抗擾控制(Active Disturbance RejectionController，ADRC)策略的天線控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(Extended State Observer，ESO)從系統(tǒng)響應(yīng)的輸入、輸出信號中觀測出系統(tǒng)的狀態(tài)量和總不確定項(xiàng)，從而在不需要精確建立天線模型的前提下，對風(fēng)擾、摩擦、系統(tǒng)參數(shù)攝動等進(jìn)行動態(tài)反饋補(bǔ)償，有效提高系統(tǒng)的干擾抑制能力和魯棒性。
　　 本研究主要內(nèi)容包括：⑴介紹了天線控制系

3、統(tǒng)的構(gòu)成，分析了三環(huán)控制結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)方法，并以直流電動機(jī)作為內(nèi)環(huán)伺服系統(tǒng)的控制對象，利用其電壓平衡方程、轉(zhuǎn)矩平衡方程與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系建立了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上分析了模型的特性，并通過時(shí)域和頻域的仿真進(jìn)行了內(nèi)環(huán)伺服系統(tǒng)PID控制器的參數(shù)尋優(yōu)。⑵分析天線所受到的主要干擾即風(fēng)擾、摩擦和齒隙等非線性因素的特性，建立相應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的綜合干擾模型，利用MATLAB對風(fēng)載荷和摩擦數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到天線轉(zhuǎn)臺方位俯仰軸不同角度和轉(zhuǎn)速時(shí)所受

4、風(fēng)力矩和摩擦力矩的仿真模型。⑶介紹了自抗擾控制器的組成和基本原理，運(yùn)用直接反饋線性化的思想，針對天線控制系統(tǒng)外環(huán)即位置環(huán)路設(shè)計(jì)以擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(Extended StateObserver，ESO)為核心的自抗擾控制器。數(shù)學(xué)推導(dǎo)和分析天線位置環(huán)路加入自抗擾控制器后的閉環(huán)結(jié)構(gòu)與特性，得出自抗擾控制器的等效結(jié)構(gòu)，從理論上分析自抗擾控制器可有效的消除穩(wěn)態(tài)誤差并補(bǔ)償風(fēng)擾、摩擦及齒隙等內(nèi)外干擾。⑷利用描述函數(shù)法對位置環(huán)控制對象進(jìn)行辨識，綜合分析加

5、入摩擦、齒隙等內(nèi)部非線性因素后對系統(tǒng)性能的影響，說明天線低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，自抗擾控制不會出現(xiàn)傳統(tǒng)PID控制時(shí)產(chǎn)生的極限環(huán)震蕩和削峰等現(xiàn)象。利用MATLAB/SIMULINK分別建立復(fù)合干擾條件下，自抗擾控制和PID控制的雙電機(jī)同步聯(lián)動驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型，仿真驗(yàn)證自抗擾控制不僅沒有大的超調(diào)，不存在極限環(huán)振蕩，而且能有效補(bǔ)償風(fēng)載荷干擾和摩擦干擾，對設(shè)備故障導(dǎo)致的單電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的齒隙也能很好的補(bǔ)償，從而證明自抗擾控制相比于PID控制的優(yōu)越性。⑸在天