基于飞行器的光电吊舱视轴稳定系统的不完全微分PID控制#薛远1，张青川1，程腾1，高杰1,2，吴世民2，王义海2**510（1.中国科学技术大学近代力学系合肥230027；2.昆山光微电子有限公司，昆山215300）摘要：基于氦气球的俯仰及横滚幅度较小的运动特点，设计了两轴结构的陀螺稳定吊舱。建立了合适的数学模型，通过比较分析，影响视轴稳定精度的主要因素是扰动力矩中的摩擦力矩。在通过系统辨识整定了一些重要参数后，深入分析了摩擦力矩影响稳定精度的原理，理论表明，在不考虑其他因素影响下，代表稳定精度的偏差角与积分项的系数成反比。通过增加带有FIR滤波器的微分项，即不完全微分，实现了加速度补偿，提高了积分项系数，从而提高了稳定精度。经过simulink仿真并实验验证，采用不完全微分的PID控制，与PI控制相比，可提高稳定精度50%。关键词：自动控制技术；视轴稳定系统；PID控制；稳定精度中图分类号：TP273+.115TheincompletePIDcontrolofthelineofsightstabilizationsystembasedofaircraftYuanXue1,ZhangQingchuan1,ChengTeng1,GaoJie1,2,WuShimin2,WangYihai2(1.DepartmentofModernMechnaics,UniversityofScienceandTechnology,Hefei230027;2025302.MicroopticsElectronicCompany,KunShan215300)Abstract:Atwo-shaftsGyrostabilizedpodcontrolsystemisdesignedonaheliumballoon,basedofthemovementcharacteristicsthattheheliumballoonhasasmallpitchandrollamplitude.Weestabilishapropermathematicmodel.Throughacomparativeanalysis,themainfactoraffectedtheaccuracyoflineofsightstabilizationcontrolsystemisfrictiontorque.Aftertuningsomeimportantparametersthroughsystemidentification,Wedoain-depthanalysisabouthowthefrictiontorqueaffectthestabilizationprecision.Theorysuggeststhat,withoutconsideringotherfactors,theintegralcoefficientisinverselyproportionaltothedeviationanglewhichrepresentsstabilizationprecision.WerealizeacompensatedaccelerationbyaddingadifferentialtermwithaFIRfilter,namelyincompletedifferential,bywhichtheintegralcoefficientisimprovedasthesameasthestabilizationprecision.Throughthesimulationandexperimentalvalidation,UsingincompletedifferentialPIDcontrol,comparedwithPIcontrol,stabilizationprecisioncanbeimprovedby50%.Keywords:automaticcontroltechnology;lineofsightstabilizationsystem;PID35contorl;stabilizationprecision.40基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金（20103402110060）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金（20103402110061）作者简介：薛远（1991-），男，硕士，生化微梁传感通信联系人：张青川（1962-），男，教授，主要从事合金的PLC效应，微梁阵列生化传感，光镊方向的研究.zhangqc@ustc.edu.cn-1-0引言运动载体上的光电系统中，为隔离载体在方位、俯仰、横滚方向的运动对成像造成的影455055响，一般采用陀螺测量吊舱相对于惯性空间的三轴角速度，通过电机对转速进行补偿以保持视轴方向稳定。这种基于陀螺为测速元件的系统，无论何种机械机构和控制算法，都是以稳定精度，动态性能等（如响应时间、超调量）作为主要指标。需要说明的是：两轴系统无法补偿因速度耦合引起的视轴自转角速度，此角速度会引起图像旋转，但一般飞行器载体俯仰及横滚幅度较小，两轴系统因速度耦合引起的图像旋转角度较小，故采用两轴结构设计。其主要指标为稳定精度，而动态性能指标要求较易满足。本文设计并实现了光电吊舱的视轴稳定系统，在控制算法方面对传统PID进行了改进，有效的提高了稳定精度50%。1系统建模双轴光电吊舱由有俯仰轴转塔和方位轴框架构成，一个三轴陀螺安装于俯仰轴转塔上。安装过程中保证z轴平行于俯仰转轴，安装位置如图1所示。坐标系如图2所示，其中视轴为OS，俯仰轴、方位轴轴线方向分别为OP、OQ，地球惯性坐标系为OA、OB、OC。陀螺坐标系为xyz。当俯仰轴转动一个角度α后，坐标系如图3所示，方位轴再转动角度β后，如图4所示图1原始坐标系图2绕俯仰轴OP转...