陀螺仪稳定平台系统的建模与控制
毕业论文关键词 陀螺仪稳定平台 数学建模 PD控制 极点配置控制
Title Modeling and Control of Gyro Stabilized Platform System
Abstract Gyroscope is widely used in the attitude control of spacecrafts due to theadvantages of high stability, fast response and low power consumption. In thispaper the dynamic modeling and controller design for gyro stabilized platform arestudied. The gyroscope module and the drive motor module are modeled based onNewton’s mechanics principle, thus the system transfer function is obtained.Thereafter, a PD controller and a pole assignment controller are designedrespectively in order to enhance the ability to rejecting external disturbancesfor the gyroscope inner frame. The effectiveness of the designed controller isverified by the Simulink module in Matlab. Finally, the actual experiment iscarried out on the gyro stabilized platform system and the experiment results showthat both of the controllers can achieve rapid and stable control effect.
Keywords Gyro stabilized platform ;Mathematical Modeling ;PD Control ;PolePlacement Control
目次
1绪论..1
1.1陀螺仪研究背景及意义..1
1.3陀螺仪控制方法综述2
1.4本文的主要内容及安排..3
2陀螺稳定平台实验系统建模.4
2.1陀螺仪稳定平台系统简介.4
2.2陀螺仪稳定平台系统的建模6
2.3本章小结.10
3陀螺仪稳定平台PD控制..11
3.1PD控制方法基本原理11
3.2PD控制器的设计..11
3.3数字仿真及实验研究.14
3.3.1数字仿真..14
3.3.2实验验证及结果分析.15
3.4本章小结17
4陀螺稳定平台的极点配置控制.18
4.1极点配置控制的基本原理介绍.18
4.2陀螺稳定平台极点配置控制器设计.18
4.2.1极点配置的控制要求18
4.2.2极点配置控制器设计18
4.2.3数字仿真..19
4.2.4实验验证及结果分析20
4.3本章小结22
结论23
致谢24
参考文献..25
1 绪论1.1 陀螺仪研究背景及意义陀螺仪在舰艇、飞机等航海、航天工具中的应用已经非常广泛。近年来，随着导弹、卫星等航空领域的飞速发展，自主式制导控制系统对陀螺仪的精度、可靠性、小型化、长寿命等性能也提出越来越高的要求。所谓的惯性品质陀螺仪就是在这种情况下应运而生。由于对惯性品质陀螺仪要求的不断提高，所以对它的设计、制造以及控制方法的研究等方面都在近几年来增加了很多内容。所以即使在科学技术突飞猛进的今天，与陀螺仪相关的技术仍然是人们所关注的焦点之一[1-5]。陀螺仪最重要的用途之一是在运动体上建立垂线的基准。它的目的是使得运动体在盲目运动的情况下能够在原制定路线上保持平稳飞行，用它来对由运动物体本身的运动、地球自转以及外界干扰而产生的多种误差来进行补偿。在导航制导领域中，最近的发展动向是强调自主式导航系统的重要性-吹冰`文~论^文.网www.chuibin.com。此外，由人操纵的飞机和宇宙飞船由于它们的速度不断增加，也表明了这些应用中同样希望采用自动导航技术。正在使用中的或者处于发展阶段的导航技术包括，把应用磁针和空速数据作为输入的简单航行推算装置和多普勒雷达、无线设备、陀螺仪系统等较为复杂的系统[6]。在这些系统中，只有惯性导航系统不受外界干扰，不必要与地面的控制中心保持长时间协作，也不会受到变幻莫测的气候影响。所以，相对于其它技术，陀螺仪系统具有明显地优势。在航天器姿态控制的应用上陀螺仪同样起到了重要地作用。控制系统的稳定性将直接决定航天器是否能够顺利完成预期的任务。一般的航天器姿态控制系统组成机构包括姿态敏感机构、执行机构以及控制机构[7]常用的执行机构包含推力器、飞轮以及控制力矩陀螺等。由于受到燃料因素的限制，推力器不能保证连续的、长期的使用，且其喷出的气体所产生的力对姿态控制的精度也会产生较大程度的影响，很难满足我们高精度控制的要求。