机载激光通信终端的变结构控制方法研究

摘要

机载激光通信终端的视轴跟踪问题一直是激光通信领域的重点和难点。由于机载平台机动性强、速度快、运动轨迹难以预测，通信前需要通信双方进行视轴对准，并且在整个通信过程中，通信终端必须时刻对对方进行跟瞄。因此，激光通信必须建立在瞄准、捕获、跟踪（Pointing，Acquisition，Tracking PAT）的基础上。在 PAT过程中采用变结构控制是一种很好的策略。本文主要工作是对变结构在机载激光通信终端粗跟踪环节的跟踪性能进行研究，通过对改进前后的变结构控制进行仿真对比。实验表明，PAT过程采用模糊变结构控制在满足精度要求的同时具有较强的鲁棒性。　　首先对平台性能要求进行分析，确定了采用复合轴控制的优势与必要性，在此基础上介绍了粗跟踪平台的系统结构并建立了各环节的数学模型；之后从理论上详细介绍、分析了变结构的控制特点与设计步骤，并通过理论验证与仿真演示深入说明了变结构控制中精度与鲁棒性之间的矛盾，以及在控制律设计中必须明确知道干扰上界的限制；之后在介绍模糊算法原理与设计思路的基础上，将切换函数作为输入、切换增益作为输出，设计模糊控制器，通过对隶属函数的优化，推理规则的提炼简化，设计了不需明确干扰上界且能兼顾控制精度与鲁棒性的模糊变结构控制器。　　之后，根据系统特点与激光通信对粗跟踪系统的需求，对粗跟踪系统的每一环，按照期望的性能需求，进行设计与校正，并将其作为后一环的被控环节，达到将复杂的PAT控制结构进行合理简化的目的。最后对关键的位置环，采用经过改进的模糊变结构控制，使得被控系统能够利用变结构控制的不变性抑制外界干扰以及包括各环节建模、等效合并时造成的不准确在内的系统自身参数摄动，克服了不良因素影响。同时模糊算法的引入在不改变经典变结构本身鲁棒性的前提下，对抖振进行了有效的削弱，提高了控制精度。　　最后在Matlab仿真中，将其与参数经过优化的经典PID控制进行对比，证明了模糊变结构具有更优异的鲁棒性、控制精度与响应的快速性，即使在干扰下，也能满足机载激光通信对PAT粗跟踪系统的要求。之后与经典变结构进行对比，验证了模糊算法的引入的确可以在不需要知道干扰上界的前提下，实现切换增益动态跟随干扰变化，达到精确抵消干扰的目的，进而在削弱抖振的同时，仍能保证模糊变结构拥有经典变结构的各种优异性能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究意义

1.2 机载激光通信国内外发展现状

1.3 粗跟踪伺服单元控制策略发展综述

1.4 本课题主要研究内容

2 PAT伺服系统及其数学模型

2.1 PAT系统结构与性能要求

2.2 PAT系统粗、精复合轴控制技术

2.3 PAT系统粗跟踪单元数学模型

2.4 本章小结

3 变结构控制理论

3.1 变结构控制基本原理

3.2 变结构控制的基本性质

3.4 变结构控制器设计方法

3.5 变结构控制稳定性分析

3.6 变结构控制系统抖振问题分析

3.7 抖振仿真分析

3.8 本章小结

4 模糊控制理论与研究

4.1 模糊控制的数学基础

4.2 模糊控制工作原理

4.3 模糊变结构控制器分析与设计

4.4 本章小结

5 基于模糊变结构的PAT粗跟踪伺服系统研究

5.1 PAT粗跟踪伺服系统电流环控制策略

5.2 PAT粗跟踪伺服系统速度环控制策略

5.3 PAT粗跟踪伺服系统位置环控制策略

5.4 本章小结

6 系统仿真分析

6.1 模糊变结构跟踪效果仿真

6.2 PID与模糊变结构抗干扰能力仿真比较

6.3 模糊变结构与经典变结构仿真比较

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果