本文提出了一种基于快速反射镜的像移补偿方法用于解决航空成像中的像移问题。首先通过计算航空相机在曝光时间内的像移速度证明了像移补偿的必要性; 针对快速反射镜存在伺服模型不确定性的问题, 设计了模型参考自适应控制器; 最后通过实验验证了该算法的性能, 结果显示: 采用本算法后, 快速反射镜的阶跃响应稳定时间降低了50%以上, 在振动情况下快速反射镜的稳定精度都可以达到10 μrad, 精度比传统控制方案提升10倍以上。最终的像移补偿成像实验成功验证了基于快速反射镜的像移补偿方案有较高的工程应用价值。

为了解决传统滑模控制高性能与系统抖振之间的矛盾, 提高基于永磁同步电机驱动的航空光电平台系统的可靠性和指向精度, 本文提出了一种新型滑模控制器趋近律, 该趋近律可以有效削弱系统抖振并达到更好的跟踪效果。在此基础上, 为提高扰动观测器的带宽以提升观测的准确性, 将扩张状态观测器引入到光电稳定平台伺服系统中以观测系统的总和扰动, 并将观测到的总和扰动补偿进滑模控制器, 以更好地抑制系统抖振并提高系统抵抗外扰的能力。实验结果表明, 本文提出的滑模控制器结合扩张状态观测器的方法明显优于传统的PI+DOB的控制方法。在匀速跟踪实验中, 系统的位置指向误差的RMS值仅为0.005 7°, 完全满足航空光电稳定平台的需求, 约是经典PI+DOB控制方法精度的3倍; 在正弦波跟踪实验中, 本文提出的方法很大程度减小了速度跟踪的相位滞后, 位置指向误差仅为PI+DOB方法的1/6; 在三角波跟踪实验中, 位置指向误差RMS值约为PI+DOB的1/3。

针对航空光电稳定平台控制系统面临的机械谐振的问题, 在双T型陷波器的基础之上提出了一种新型的结构滤波器。这种新型结构滤波器由两个双T型陷波器和一个低通滤波器构成, 能够将谐振峰和反谐振峰同时抑制, 克服了单一陷波器不能处理反谐振峰值的缺陷。同时相比于双二次型滤波器, 结构滤波器的参数调节更加灵活, 既可以调节峰值大小又可以调节峰值宽度。实验结果显示: 相比于双二次型滤波器, 结构滤波器拟合的谐振曲线与实际的扫频曲线匹配度更好。加入结构滤波器对模型进行补偿以后, 控制系统的稳定精度提高了5.74倍, 闭环带宽提升了4.54倍。新型结构滤波器对于机械谐振的抑制和控制系统的性能提升有明显作用。

航空光电稳定平台广泛采用快速反射镜进行视轴稳定,航空环境中的各种扰动,尤其是振动会影响快速反射镜的稳定性能。针对传统的抗扰方法[如比例-积分-微分控制器(PID)、干扰观测器(DOB)等]抑制扰动效果不明显的问题,提出一种基于自适应鲁棒控制(ARC)方法的快速反射镜抗扰策略。实验测试发现,引入ARC以后,快速反射镜在振动环境中的稳态均方根误差值相比于PID降低约80%,相比于DOB降低约60%,表明ARC对于提升快速反射镜的抗扰能力和稳定性能具有显著效果,具有较大的工程应用价值。

为了进一步提高复合轴航空光电稳定平台的性能, 文中首先在硬件电路中采用电流环将复杂的电机模型简化为一阶模型, 同时保证电机的输出力矩稳定; 然后在PD控制器的基础上, 引入了自适应鲁棒控制器, 对快速反射镜进行位置控制和扰动抑制; 最后分别通过带宽测试实验、扰动抑制实验、视轴稳定实验和鲁棒性实验对其性能进行测试, 并采用DOB型音圈式-快速反射镜和压电陶瓷式-快速反射镜做对比。实验结果表明: 相比于传统的DOB型音圈式-快速反射镜系统, 本文控制方法的参数鲁棒性更强; 相比于传统的压电式-快速反射镜, 本文控制方法不仅视轴稳定精度与其不相上下, 还具有更大的行程。除此之外, 在80 Hz以内任意频率扰动的影响下, 基于ARC型音圈式-快速反射镜的复合轴航空光电稳定平台的视轴稳定精度均可以控制在5 μrad(RMS)以内; 同时在-40 ℃~50 ℃的温度条件下依然可以保持该性能, 远远优于DOB型音圈式-快速反射镜的效果。本文控制方法完全满足高精度航空光电稳定平台的性能要求, 对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价值。

为了提高航空光电稳定平台的扰动隔离度，在传统平台的电流反馈、速度反馈、位置反馈的基础上增加了高增益加速度反馈，并利用伪微分反馈的控制技术设计出新的控制器来代替传统的速度反馈的PI控制器。实验结果表明，在模拟转台以1°、0~2.5 Hz的正弦干扰下，相对于传统的航空光电稳定平台，基于伪微分和加速度反馈控制的光电稳定平台的阶跃响应超调量减小了约7.8%，扰动隔离度提高了约8.7 dB; 相对于基于PI控制器和加速度反馈控制的航空光电稳定平台，基于伪微分和加速度反馈控制的光电稳定平台的阶跃响应超调量减小了约2.6%，且平台的过渡过程加快。该控制系统能够有效地抑制扰动力矩的影响，具有较好的通用性和实用性。

讨论了旋翼直升机高频振动时产生的质量不平衡力矩对航空光电稳定平台性能的影响。基于传统光电稳定平台电流反馈、速度反馈、位置反馈的三闭环控制系统提出了一种基于系统模型的质量不平衡力矩前馈补偿方法。该方法通过标定平台质量偏心, 利用加速度传感器获取平台加速度信号来对平台的质量不平衡力矩进行前馈补偿, 实现对平台质量不平衡力矩的抑制, 提高光电稳定平台的扰动抑制能力。实验结果表明: 相对于传统三闭环控制系统, 引入前馈补偿后系统的扰动隔离度至少提高了6.4 dB; 相对于利用扰动观测器对质量不平衡力矩进行补偿的传统补偿方案, 引入前馈补偿的光电稳定平台系统不仅在低频段补偿效果提升约12.9 dB, 而且克服了扰动观测器在高频时不能补偿质量不平衡力矩带来的影响, 使平台在全频段的扰动隔离度都大幅提高, 视轴能更好地稳定在惯性空间内, 具有较高的实用性和使用价值。

为了提高航空光电稳定平台的视轴稳定精度, 采用跟踪微分器作为滤波器, 对输入信号进行滤波, 改善随机噪声对控制精度带来的负面影响。跟踪微分器会产生相位延迟, 根据它得到的滤波信号及其微分信号, 采用预报方法对滤波后的信号进行补偿。算法不依赖对象模型, 计算量较小, 易于实现。本文阐述了该算法的离散数学表达式, 给出数值仿真分析, 并在某型航空光电稳定平台上进行实验验证。结果表明: 相较于巴特沃斯滤波器, 跟踪微分器提高了阶跃响应的性能, 最大超调量减少10.5%, 上升时间缩短了4.5 ms, 调整时间缩短50 ms。基本满足控制系统的实时性、快速性、稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。研究表明跟踪微分器对于航空光电稳定平台的精度提高, 有比较好的实用价值。

提出一种基于电流环的自抗扰控制新方法以进一步提高航空光电稳定平台的抗干扰能力。首先，利用电流环将硬件电路中复杂的电机模型简化为一阶模型，从而减小了由于参数过大噪声对扰动观测值的影响；然后，采用带宽单参数化的设计方法为简化后的一阶系统设计了扩张状态观测器及带扰动补偿的控制规律；最后，在飞行模拟转台中测试了自抗扰控制器对2.5 Hz以内任意频率扰动的抑制能力，并与目前航空光电稳定平台中常用的平方滞后超前校正方法进行了对比。实验结果表明：与传统的平方滞后超前控制器相比，采用自抗扰控制器后系统的扰动隔离度至少提高了6.56 dB；而且随着扰动频率大于0.5 Hz，自抗扰控制器的扰动抑制能力更为明显，扰动隔离度最多可提高12.03 dB。同时，自抗扰控制器具有很强的鲁棒性，允许被控对象参数在15%的范围内任意变化，可满足高精度航空光电稳定平台的性能要求，对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价值。