大型高精度目标跟踪转台主要用来模拟导引头、雷达等探测设备的目标运动特性, 测试探测设备的跟随特性, 是航空、航天领域重要的半实物仿真设备。首先介绍了转台的工作原理、控制系统硬件组成, 然后将永磁直流力矩电机的数学模型和转台的动力学方程结合, 建立了转台的数学模型, 在此基础上提出了基于PID控制器的三环控制系统, 实验研究表明该系统在技术要求范围内满足双十指标。

为提升精密转台的轨迹运动精度, 本文从轨迹规划和运动控制两个方面对传统控制算法进行了改进。轨迹规划方面, 推导了S曲线轨迹规划方程, 并结合转台动力学约束条件给出了轨迹规划参数的取值方法, 从而为运动控制算法提供了满足动力学要求的轨迹指令; 运动控制方面, 在传统双闭环反馈控制基础上增加了DOB扰动补偿和前馈补偿, 以此改善转台的伺服性能, 提升转台的运动精度。在详细说明了轨迹规划算法和运动控制算法的设计过程后, 对两部分算法进行综合, 给出了具体实现步骤, 并以谐波转台和RV转台为实验对象进行了多组算法性能测试。实验结果表明: 相比于传统控制方法, 采用本文提出的方法能够使转台动态精度提升99.6%, 稳态精度提升99.75%, 从而证实了该算法对运动精度提升的有效性。

为了修正精密转台中由圆光栅安装偏心、倾斜等引起的角分度误差，提出一种基于稀疏分解的角分度误差补偿方法。首先，分析了圆光栅安装偏心、倾斜等对精密转台角分度误差的影响。然后，根据圆光栅测角误差中不同阶次误差项的特性，结合稀疏分解思想与谐波分析建立了角分度误差补偿模型，对转台的角分度误差进行补偿。最后，搭建试验平台，采用提出的角分度误差补偿模型对精密转台角分度误差进行修正，验证该方法的有效性。试验结果表明: 该方法能够将角分度精度提高2个数量级，对角分度误差最大值为90.85"的转台进行误差补偿后，能够使角定位误差的最大值减小到0.64"。采用该方法进行误差补偿后，能够显著提高角度定位精度，结果满足精密转台角位移的高精度测试要求。

针对摩擦力矩对高精度转台速度稳定性能的影响, 考虑到转台系统的实际工作情况, 本文提出了一种基于变结构的双闭环控制方法。该方法根据变结构控制的不变性特点, 采用指数趋近律规则, 构造了基于变结构的双闭环控制方式。通过比对传统双闭环控制和基于变结构的双闭环控制在转台系统低速转动时的仿真分析及实验结果, 表明本文提出的基于变结构的双闭环控制比传统双闭环控制可以更有效的克服摩擦力矩对高精度转台速度稳定性的影响, 提高转台的速度稳定性能。

针对高精度转台在低速运行时,由于摩擦力矩的作用,跟踪精度会受到很大的影响的实际情况,本文提出将Stribeck摩擦力矩模型应用于高精度转台系统,并设计控制器,可以在线的对摩擦力矩进行辨识和补偿。该方法根据摩擦力矩模型的特点,采用前馈+积分反馈设计控制器。并采用Lyapunov函数和拉萨尔一般不变性原理分析了系统的稳定性,证明在一定的条件下,可以实现渐进稳定跟踪。实验结果表明,控制器对非线性摩擦力矩具有补偿作用。