应用于运动平台光电跟瞄系统的惯性参考单元研究综述

目标的变化和任务的拓展对光电跟瞄系统提出了快速机动的要求,从地基平台到车载、船载、机载、星载等运动平台是光电跟瞄系统的重要发展趋势。基于惯性参考单元（Inertial Reference Unit,IRU）的视轴稳定方式是克服运动平台高频扰动,实现光电跟瞄系统微弧度甚至亚微弧度级跟瞄的主要技术手段。针对运动平台光电跟瞄系统精确指向对载体基座扰动抑制的需求,分析和对比了IRU的各种技术方案,特别介绍了利用低噪声、宽频带惯性传感器敏感角扰动,并通过反馈控制实现视轴惯性稳定的系统方案。从此类IRU系统的工作原理出发,阐述了系统的两种工作模式及功能特点,建立了系统数学模型。然后,介绍了IRU的国内外研究进展及发展方向,指出惯性传感、支承结构和控制系统是决定IRU稳定能力的关键因素,梳理了三项关键技术的研究动态。最后,总结了IRU的空间应用情况,并结合目前的应用需求对其未来应用领域进行了探讨。     

惯性参考单元的变增益PI位置控制技术

基于惯性参考单元的视轴稳定方式是克服运动载体光电跟瞄系统外部扰动,实现微弧度甚至亚微弧度级跟瞄的主要技术手段。惯性参考单元的初始校准需要构建以电涡流线位移传感器作为角位置反馈元件的闭环控制回路,角位置控制精度是影响光电跟瞄系统指向精度的主要因素。为了解决惯性参考单元系统位置控制面临的基座扰动、传感器噪声等问题,提出基于频段估计的变增益PI控制方法。设计改进扰动观测器,降低中低频传感噪声对控制精度的影响,设计频段估计器实现外部扰动频段的细分,据此动态调节控制器增益。仿真和实验结果表明,基于VGPI-IDOB控制算法能够有效提高系统的位置控制精度,无输入条件下,系统的静态输出均方根较PI控制降低了67.3%;15 Hz, 1 mrad正弦输入,20 Hz, 0.097 mrad扰动作用下,VGPI-IDOB的位置控制精度相较PI控制提升了72%。     

精密隔振平台振动的LQG控制

建立了以空气弹簧作为被动隔振元件、超磁致伸缩致动器作为主动隔振元件的精密隔振平台隔振系统，应用LOG控制算法设计其主动控制器。采用MATLAB软件进行了仿真分析以验证系统的振动控制效果。仿真结果表明所设计的振动主动控制系统可在非常宽的频率范围对基础干扰和由仪器设备产生的直接干扰所引起的精密隔振平台振动进行有效的控制。     

机载光电平台隔振系统振动耦合分析

为避免载机线振动耦合为光电平台角振动,减小角振动对成像质量和指向精度的影响,对机载光电平台隔振系统进行了分析与研究。针对以往单自由度振动模型仅能分析线振动衰减,无法分析线振动与角振动耦合的缺点,建立了隔振系统的双自由度振动模型,推导出载机线振动与光电平台角振动间的传递函数,分析了减振器刚度、阻尼参数偏差以及减振器布局不合理对振动耦合的影响,为隔振系统的设计和安装提供理论基础。结合工程实际,提出了减小光电平台隔振系统振动耦合的具体措施。     

超精密隔振平台主动振动控制系统设计

建立了超精密隔振平台的结构及动力学模型，设计了一种新型的双向电磁作动器，并采用PID控制算法建立了主动振动控制系统模型，经Matlab软件仿真分析表明，该系统具有良好的隔振效果。     

精密隔振平台微振动的H∞控制

设计了一个精密隔振平台6自由度微振动控制系统.该系统以4个空气弹簧作为被动隔振元件,8个超磁致伸缩致动器作为主动隔振元件.4个垂直方向致动器与空气弹簧平行安装,以充分发挥超磁致伸缩致动器的性能.采用H∞控制算法来设计振动主动控制系统.应用Matlab软件进行了仿真分析以验证系统的振动控制效果.仿真结果表明所设计的振动主动控制系统能在较宽的频率范围对地基干扰具有很好的控制效果.     

基于压电堆与橡胶的主被动一体化隔振器研究

针对临近空间飞行器敏感设备的隔振要求,结合主动振动控制与被动控制方法,提出一种新型压电堆橡胶主被动一体化组合隔振器.对压电堆作动器和橡胶隔振器进行结构设计,建立主被动一体化隔振系统的动力学模型.采用前馈反馈复合控制对二级隔振系统进行主动控制算法设计,基于经典Stewart隔振平台,设计一种新型临近空间飞行器主被动一体化隔振平台.采用Matlab/Simulink联合仿真技术对各种激励信号进行数值仿真分析.仿真结果显示,所设计的隔振器在全频段能够有效隔离源自基础的位移激励,这表明所设计的隔振平台在理论上是有效和可行的,为进一步的实验研究奠定了基础.     

光电平台新型隔振机构设计

振动会严重影响动载体光电平台的成像质量和跟踪精度,必须采取隔振措施。分析了振动对光电平台成像质量的影响,提出了一种新型隔振机构设计方案,设计了两种新型金属橡胶隔振器,应用线阵CCD二维动态测角仪对光电平台的动态角位移进行了测量。光电平台振动扫频试验结果显示,内外隔振器组合的隔振机构能够衰减3个正交方向20 Hz以上的振动。测角结果显示,平台最大角位移为5.5″,小于8″的设计要求。隔振机构不但有效隔离了中高频振动,而且实现了平台无角位移运动,为动载体光电平台的研究提供了理论支持,并具有重要军事意义。     

精密隔振平台振动的模糊控制

采用混合隔振技术建立了以空气弹簧作为被动隔振元件、超磁致伸缩致动器作为主动隔振元件的精密隔振平台隔振系统，并采用模糊控制理论设计其主动控制器。应用MATLAB软件进行了仿真分析以验证系统的振动控制效果。仿真分析结果表明，该振动控制系统在较宽的频率范围内具有良好的减振效果，该系统可应用于超精密测量．制造设备的隔振领域。     

微制造隔振平台振动的模糊广义预测控制

采用主动隔振与被动隔振相结合的技术,建立以空气弹簧为被动隔振元件、超磁致伸缩致动器为主动隔振元件的微制造平台6自由度隔振系统及其结构模型。提出一种改进的自适应广义预测控制算法,并与模糊控制结合起来,应用于微制造平台的振动控制中,实现广义预测控制与模糊控制的优势互补。计算机仿真与试验结果表明,所设计的微制造平台模糊广义预测控制系统具有良好的鲁棒稳定性、抗干扰能力和时域性能,可在非常宽的频率范围内将由干扰所引起的微制造平台的振动在被动隔振的基础上减少80%左右,效果显著。     

基于压电偏转系统的卫星平台振动补偿

针对卫星平台振动严重影响空间光通信跟瞄精度的问题,提出了基于压电偏转控制系统的扰动补偿方案.建立了压电偏转系统的数学模型,设计了基于改进型最小均方根(LMS)滤波算法的自适应控制器,分析了最优步长选择的影响因素.针对输入信号的相位延迟问题,设计了自适应延迟滤波器,不仅有效地补偿了相位延迟,还可通过自适应调节输入信号相位...     

直升机主减半主动反共振隔振技术研究

根据现有主减反共振隔振和主动控制理论,设计新型直升机主减隔振原理样机模型。随着直升机工作频率的改变,隔振系统识别频率的变化,自动调节隔振器质量块位置,使系统始终有隔振效果。以直升机原理样机为对象,加入基于神经网络的控制方法,对实验对象进行动力学特性标定,获得质量块位置与工作频率之间的关系。研究频率跟踪算法,将神经网络和频率跟踪算法两者结合,编制出可以采集信号,识别频率的LabVIEW程序。实验结果证明,新型主减隔振系统隔振效果和控制效果符合预期,可以为直升机主减的振动主动控制系统设计提供一定的指导。     

磁悬浮隔振器参考信号提取研究

用基于滤波x-LMS算法的控制律在自行研制的磁悬浮隔振器上进行振动主动控制实验,当选取激振模块信号发生器的输出信号作为参考信号时,难以避免主动控制施加后的声反馈的影响,而且无法在大型动力设备负载情况下提取参考信号。针对以上参考信号问题,提出了三种解决方案,并就其中的＂参考信号拾取法＂和＂滤波-U算法＂进行了分析和实验研究,实验结果表明这两种方法都具有较好的隔振效果,且更符合磁悬浮隔振器的实际工作情况。     

A vibration-control platform on the basis of magnetorheological elastomers

The design of a vibration-control platform on the basis of magnetorheological (MR) elastomers is described. The platform is designed for protecting precision equipment and instruments against external vibrations at frequencies of up to 200 Hz and amplitudes of up to 100 µm. The platform contains four active dampers on the basis of MR elastomers and four elastic-support units with a mass corrector using which the platform is adjusted to a required equipment mass and a required resonance frequency. The proposed platform provides passive vibration isolation at a level of ～10 dB at frequencies of from 0.5 to 30 Hz and vibration amplitudes of up to 500 µm. The results of experimental studies of transient processes (the minimum transient-process time is 30 ms), the transfer coefficient of the vibration-displacement amplitude, and the mechanical hysteresis are presented.     

精指向自解锁星载太阳指向器设计与应用

介绍了风云3号(FY-3,C星)太阳辐射监测仪采用的自主设计的精指向自解锁星载太阳指向器。该指向器是一个绕双轴旋转的指向平台,其由驱动单元、执行机构、编码器、太阳敏感器等实现主动例行工作与被动冗余相结合的在轨太阳指向策略。为避免运输、发射等过程的冲击振动对其性能及寿命影响,指向器具有自由度锁止及释放功能,可以实现发射前的自由度锁止及入轨后的自由度释放。文中给出了指向器的结构组成、指向精度设计过程以及寿命实验结果。FY-3(C星)于2013年10月成功发射,太阳辐射监测仪的太阳指向器入轨后成功解锁,目前为止已经在轨连续运行17个月,在轨指向精度为±0.05°,其承载的太阳辐射监测仪获取了大量高精度有价值的太阳辐射数据。该精指向自解锁星载太阳指向器可为未来风云系列及其它卫星载荷指向机构设计提供应用基础。     

仪用空气弹簧隔振台固有频率的研究

超精密测量对环境振动要求非常严格,其仪器设备中多安装隔振装置。针对课题组圆度仪中使用的仪用小型空气弹簧隔振台,采用理论方法研究其固有频率。首先简化隔振台振动模型,根据该隔振台中约束式膜式空气弹簧的特定结构及相关理论,建立单个空气弹簧数学计算模型,获得单个空气弹簧刚度特性与其垂向变形量x的关系式,最终求得隔振系统的固有频率;同时利用压电式加速度传感器设计振动测试试验,对采集到的加速度信号进行预处理、积分运算、频谱分析,获得该系统的固有频率,两者对比,误差不超过10%,达到预期研究目标。为理论上研究该隔振平台的隔振性能及其耦合振动情况提供理论基础,也对其他类似结构的空气弹簧刚度特性的计算有一定参考意义。     

双层精密隔振平台的最优控制研究

将主动隔振技术应用到双层精密隔振系统中,设计双层主动隔振系统,建立其动力学方程和状态方程。根据精密制造和精密仪器的隔振需求,提出控制目标,建立系统的线性二次型调节器(linear quadratic regulator,LQR)最优控制模型,利用Matlab/Simulink软件进行仿真分析,在不同激励下研究主被动系统隔振对象的加速度响应大小。仿真结果表明:双层主动隔振系统的隔振效果远远优于被动隔振系统。     

用于超精密隔振的稀土超磁致伸缩致动器设计

介绍了超精密隔振平台的结构和振动控制原理 ,设计了稀土超磁致伸缩致动器作为驱动装置 ,并阐明致动器的结构和工作原理 ;分析了致动器工作磁场的组成及线圈轴向磁场的分布情况 ;研究了致动器振动控制的频率特性。实验表明所设计的稀土超磁致伸缩致动器具有良好的振动控制效果。     

航空发动机转速调理模块设计研究

在航空发动机飞行试验中,需要对发动机转子基频激起的振动信号进行实时跟踪监视,在对振动信号进行监视的过程中需要可靠的测量发动机转速信号。当转速传感器因为某些原因输出信号为复杂信号时,一般的转速测量方法和设备无法直接测量,因此设计了航空发动机转速调理电路,对转速传感器输出的复杂信号进行预处理,得到幅值固定,频率与原信号一致的方波信号,从而为进一步发动机转速的准确测量和发动机振动的实时跟踪监视奠定了基础。     

基于LMI的超精密隔振平台控制系统设计

提出一种基于LM I(线性矩阵不等式)算法的超精密隔振平台控制系统设计方法。该方法将超精密隔振平台控制系统设计问题转化为一个具有线性矩阵不等式约束和线性目标函数的凸优化问题。由于在求解过程中,应用MATLAB软件中LM I工具箱使得上述问题的求解更加方便、直接。计算机仿真试验表明所设计的主动控制系统能在较宽的频率范围对基础干扰和直接干扰所引起的微制造平台振动进行有效的控制。