强干扰下高空飞艇载荷平台基于特征模型的智能自适应控制研究

In order to meet the high performance requirements of the pointing accuracy and stability of the payload of the high altitude airship, the project is to study the vibration isolation and control of the payload. Because the airship is under so many complex disturbances, the characteristic analysis of the perturbation spectrum of the airship body is carried out, and the influence mechanism of dynamic characteristics of the airship acting on the high performance load is deeply analyzed. The vibration isolation technology of the high performance load is studied based on the analyses above. To deal with the characteristics and difficulties of the stratospheric airship including coupled dynamics, time-varying parameters, strong disturbance and large inertia with weakly controllable ability, an intelligent adaptive control method based on characteristic model is presented to satisfy the requirement of high stability and high pointing precision of the payload; to deal with the wind field disturbance which has significant impact on the airship, the wind field high-precision prediction method based on intelligent learning algorithm is studied and then is applied to high-precision pointing control of the payload.

为满足任务载荷设备指向精度和稳定度的高性能要求，本项目研究平流层飞艇有效载荷的隔振及控制问题。针对飞艇工作时面临多种复杂因素的干扰问题，对多干扰因素作用下的艇身扰动频谱特性开展分析；并深入分析艇身动态特性对高性能载荷的影响机制；在这些分析研究的基础上研究高性能载荷隔离技术。针对平流层飞艇存在多耦合、变参数、强扰动和大惯性弱可控的特点和难点，采用基于特征模型的智能自适应控制方法研究有效载荷高稳定度高精度指向控制问题；针对风场扰动的显著影响问题，研究基于智能学习算法的风场高精度预测方法，并应用于载荷高精度指向控制。

研究高空飞艇载荷平台的隔振及其控制具有重要的应用价值，本项目按计划进行了针对性研究，主要包括四个方面。 （1）高空平流层飞艇的扰动研究:①大气紊流以及定常风对高空平流层飞艇造成低频姿态干扰，分析了紊流频谱特性、扰动特性、尺度和强度，给出了其仿真模型。在飞艇模型上加入大气紊流，进行仿真分析艇身受扰作用下的姿态及位置变化规律；②高空平流层飞艇在姿态保持和低速飞行时，电机、螺旋桨等引起的机械振动，是飞艇的高频干扰。以美航局对Landsat-4在线测试所得到的干扰的功率谱为基础，分析和计算高空飞艇的高频振动所带来的有效载荷平台的位移模型，为采取必要的扰动抑制与补偿措施提供可信的依据。（2）风速的在线预测研究：针对风速序列随时间、空间呈现非线性、非平稳性变化的特征，提出一种基于优化极限学习机的自适应模型的风速预测方法。①利用对训练样本的相空间重构确定增量型极限学习机的输入维数。②通过增量型极限学习机的方法来确定神经元个数，优化结构参数，获得良好的泛化性能。③根据优化的结构参数和增量型极限学习机对样本参数进行训练得出风速预测的模型，通过不断的样本更新完成长期滚动的预测。实验结果表明，本项目所提的预测方法具有较高的预测精度。（3）高空飞艇载荷平台基于特征模型的智能自适应控制研究：建立了上层为主被动一体化隔振器、下层为稳定跟踪云台的载荷平台：①对于主被动隔振一体化平台，选用具有能量比值大、效率高、响应速度快的超磁致伸缩作动器，建立了基于位移控制的主动被动一体化隔振平台数学模型，采用基于特征模型的黄金比例分割控制、逻辑微分控制后，与传统的力控制隔振平台相比较，展现了此方法在隔振领域良好的控制效果。②对于下层视觉稳定平台，采用双轴视觉稳定云台作为相机载体，隔离艇体扰动，快速响应控制信号，根据坐标系原理以及动力学方程推导出云台隔离相关扰动的补偿方程，进行特征建模，加入黄金比例分割控制、维持跟踪控制率，经过仿真后，对比经典PID控制器，其超调量、动态性能均有较大改善，使得相机能拍出清晰度良好的照片。（4）隔振平台的实物设计及控制算法有效性验证研究：搭建了一整套三轴隔振云台控制电路硬件，编写了配套的软件算法，验证了基于特征模型的智能自适应控制方法对提高有效载荷指向精度和稳定度的有效性。综上所述，本项目的研究为高空飞艇有效载荷平台的实际工程应用提供了一定参考，为开展更深入理论探索奠定必要基础。

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