CN102360231B - 一种基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统。该系统引入速率陀螺来提取挠性天线电轴在运动中的速度，改变伺服系统的控制结构，使系统能够直接针对天线电轴本身进行控制，而不仅仅是对天线安装基座进行控制，从而非常好地解决了挠性天线伺服系统中快速性与平稳性的矛盾，通过引入速率陀螺、天线基座角度测量装置和天线速度反馈控制器对挠性天线电轴进行速率感知并控制，使系统成为针对挠性天线电轴的全闭环控制系统，提高挠性天线的位置或速度控制性能。该系统不需要知道天线的准确数学模型，控制系统设计调试非常方便，具有很强的实用价值。

Description

一种基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统

技术领域

本发明涉及天线控制技术领域，具体涉及一种适用于对挠性较大的天线进行伺服控制的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统。

背景技术

大型天线的挠性较大，即刚性低、转动惯量大、谐振频率低、阻尼系数较小。一般来说，大挠性天线系统闭环带宽只能远远低于天线谐振频率，否则系统将不稳定。

对于天线伺服系统，控制的目标是天线电轴，但在一般的伺服系统中，天线本身的挠性并没有包括在系统闭环内。在天线转台之前，伺服系统可以形成电流、速度、位置闭环；当包括了挠性较大的天线及其支架后，整个系统成了开环系统，这对系统的控制很不利。

对于大挠性天线系统，目前一般采用两种办法来减小天线挠性对系统的影响。一种办法是采用陷波设计的方法，将系统前向校正通道的幅频特性上设计出一个凹口，凹口的频率等于天线的谐振频率。这种方法需要准确地知道挠性天线的谐振频率，需要做很多测试工作，需要昂贵的测试设备。

另一种是采用加减速的控制策略限制系统的输出信号带宽，避开天线的挠性谐振频率。这种方法为了保证系统的稳定性，极大地牺牲了系统的带宽。这主要是由于这两种方法没有对天线挠性所引起的谐振进行反馈，系统无法对其进行准确的校正补偿。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对于现有技术的上述不足，提供一种基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，该基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统用于对挠性天线进行控制可尽可能地增大系统的带宽，提高控制系统的控制性能。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：提供一种基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：包括速率陀螺、天线基座角度测量装置、电机驱动系统、天线速度控制器、位置控制器、传动装置、挠性支架、天线和天线速度反馈控制器；所述速率陀螺为一用于获取天线电轴的空间转动速率的二维速率陀螺，速率陀螺固连在天线电轴上，速率陀螺的两个敏感轴与天线的两个转轴重合或平行；所述位置控制器、天线速度控制器、电机驱动系统、传动装置、挠性支架、天线沿信号传输路径依次连接；所述速率陀螺、天线速度反馈控制器、天线速度控制器、电机驱动系统、传动装置、挠性支架和天线构成一天线速度反馈回路；所述天线基座角度测量装置、位置控制器、天线速度控制器、电机驱动系统和传动装置构成一位置反馈回路；所述电机驱动系统为由速度控制器、功率驱动器和电机构成的一个电流与速度的双回路闭环系统。

按照本发明所提供的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述速率陀螺安装在天线柔性最大的位置处。

按照本发明所提供的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述速率陀螺的带宽高于天线和挠性支架的带宽。

按照本发明所提供的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述天线基座角度测量装置采用旋转变压器或光电编码器，用于测量天线转台的角度信息。

按照本发明所提供的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述电机驱动系统的输入为电机速度指令，电机驱动系统的输出为电机转速信号。

按照本发明所提供的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述传动装置将电机的输出转速转化为天线转台的角位置输出。

按照本发明所提供的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述位置控制器采用PID控制方式输出控制天线转台角度位置的控制指令。

按照本发明所提供的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述天线速度反馈控制器采用比例控制方式调整速率陀螺反馈信号的强弱。

按照本发明所提供的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述天线速度控制器采用比例控制或比例积分控制方式生成电机驱动系统的速度控制指令，天线速度控制器的输入为位置控制器和天线速度反馈控制器之差。

综上所述，本发明所提供的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统相比于现有的挠性天线伺服控制系统具有如下优点：

1、引入速率陀螺来提取挠性天线电轴在运动中的速度，改变伺服系统的控制结构，使系统能够直接针对天线电轴本身进行控制，而不仅仅是对天线安装基座进行控制，从而非常好地解决了挠性天线伺服系统中快速性与平稳性的矛盾；

2、该系统不需要知道天线的准确数学模型，控制系统设计调试非常方便，具有很强的实用价值；

3、引入速率陀螺、天线基座角度测量装置和天线速度反馈控制器对挠性天线电轴进行速率感知并控制，使系统成为针对挠性天线电轴的全闭环控制系统，提高挠性天线的位置或速度控制性能。

附图说明

图1是基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统的原理图。

    图2是基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统的控制模型框图。

图3是基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统中速率陀螺安装位置示意图。

图4为现有的挠性天线伺服控制系统的转台处的位置阶跃响应仿真曲线图。

图5为现有的挠性天线伺服控制系统的电轴处的位置阶跃响应仿真曲线图。

图6为基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统的转台处的位置阶跃响应仿真曲线图。

图7为基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统的电轴处的位置阶跃响应仿真曲线图。

其中，1、速率陀螺；2、天线基座角度测量装置；3、电机驱动系统；4、天线速度控制器；5、位置控制器；6、传动装置；7、挠性支架；8、天线；9、天线速度反馈控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细地描述：

如图1所示，该基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统包括速率陀螺1、天线基座角度测量装置2、电机驱动系统3、天线速度控制器4、位置控制器5、传动装置6、挠性支架7、天线8和天线速度反馈控制器9；所述速率陀螺1为一用于获取天线电轴的空间转动速率的二维速率陀螺，速率陀螺1固连在天线电轴上，速率陀螺1的两个敏感轴与天线8的两个转轴重合或平行；所述位置控制器5、天线速度控制器4、电机驱动系统3、传动装置6、挠性支架7、天线8沿信号传输路径依次连接；所述速率陀螺1、天线速度反馈控制器9、天线速度控制器4、电机驱动系统3、传动装置6、挠性支架7和天线8构成一天线速度反馈回路；所述天线基座角度测量装置2、位置控制器5、天线速度控制器4、电机驱动系统3和传动装置6构成一位置反馈回路；所述电机驱动系统3为由速度控制器、功率驱动器和电机构成的一个电流与速度的双回路闭环系统。

所述速率陀螺1安装在天线8柔性最大的位置处。所述速率陀螺1的带宽高于天线8和挠性支架7的带宽。所述天线基座角度测量装置2采用旋转变压器或光电编码器，用于测量天线转台的角度信息。所述电机驱动系统3的输入为电机速度指令，电机驱动系统3的输出为电机转速信号。所述传动装置6将电机的输出转速转化为天线转台的角位置输出。所述位置控制器5采用PID控制方式输出控制天线转台角度位置的控制指令。所述天线速度反馈控制器9采用比例控制方式调整速率陀螺1反馈信号的强弱。所述天线速度控制器4采用比例控制或比例积分控制方式生成电机驱动系统3的速度控制指令，天线速度控制器4的输入为位置控制器5和天线速度反馈控制器9之差。

准确地说，天线伺服系统的控制目标不是转台，而是天线电轴。一般的天线伺服系统最大的不足在于速度或位置传感器仅对天线安装基座（转台）进行速度或角位置的感知，无法对天线电轴本身进行速度或位置的反馈，当天线挠性较大时，极易引起振荡。本发明的方案采用速率陀螺可以克服这一缺点。在一个典型的两维天线伺服系统中，与一般的天线伺服系统相比，基于速率陀螺的天线伺服系统在天线上安装了一个两维的速率陀螺，如图1所示。由于需要获取的是天线电轴的空间转动速率，所以理论上速率陀螺应与天线电轴固连，其两个敏感轴与天线的两个转轴重合或平行。

天线转台带动天线转动，由于天线本身刚性差，当角加速度变化较大时，会产生较大的扭转变形，使天线电轴与天线转台基准线发生变化。速率陀螺的作用在于敏感天线电轴在空间的角速率，以便对控制目标（天线电轴）实现闭环控制。本系统增加了速率陀螺反馈支路，其余控制结构均不变。因此采用速率陀螺之后，对伺服及传动系统的硬件结构没有改变，只需在天线上安装一只速率陀螺并将其电缆连接到伺服控制器即可。在数字控制器中，增加了反馈控制器和天线速度控制器。

图2是当该伺服控制系统作为一个位置控制系统时的控制模型框图。其中，电机驱动系统3本身组成一个电流与速度的双回路闭环系统，其输入为电机速度指令，输出为电机转速。可以用简化的一阶惯性环节表示：                                                

。挠性支架7和天线8的特性表征了天线电轴的挠性，可以用二阶振荡环节表示：

。传动装置6将电机的输出转速转化为天线转台的角位置输出，可表示为：

。速率陀螺1的带宽远高于天线及其挠性支架，可以用二阶模型表示：

。天线基座角度测量装置2用于测量天线转台的角度信息，一般采用旋转变压器或光电编码器，同样可以用二阶模型表示：

。天线速度控制器4用于生成电机驱动系统3的速度控制指令，其输入为位置控制器5和天线速度反馈控制器9之差。实际系统中可以采用比例控制或比例积分控制方式，用表示。位置控制器5输出控制天线转台角度位置的控制指令，用

表示，可以采用PID控制方式。天线速度反馈控制器9用于调整速率陀螺反馈信号强弱，采用比例控制，用

表示。

本发明的关键在于采用速率陀螺提出挠性天线的电轴空间角速率。为了保证所提取的信号真实地反映天线电轴的角速率，需要合理地选择速率陀螺的安装位置。一般来说，速率陀螺可以安装在挠性天线柔性最大的位置，如抛物面天线的扇面边缘，如图3所示。

该基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统增加了天线速度控制器和天线速度反馈控制器。天线速度反馈控制器的引入很重要，它将使速率陀螺引入的天线速率信号发挥最好的作用。虽然如此，这两个控制器的设计仍然非常简单。因此，采用速率陀螺的挠性天线伺服系统仅仅增加了一个控制回路，改变了系统的控制结构，以极小的成本极大地提高了系统的性能。

图4为现有的挠性天线伺服控制系统的转台处的位置阶跃响应仿真曲线图。图5为现有的挠性天线伺服控制系统的电轴处的位置阶跃响应仿真曲线图。以一个二阶振荡环节来模拟挠性支架和天线的特性，设固有频率为3Hz，阻尼比为0.1。转台在控制闭环以内，控制精度及响应特性很好。天线电轴处于控制闭环以外，受天线及其支架的挠性影响，动态品质很差。

图6为基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统的转台处的位置阶跃响应仿真曲线图。图7为基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统的电轴处的位置阶跃响应仿真曲线图。可以看出，转台处的位置控制有较大的振荡，但天线的控制效果非常好，并且系统的快速性几乎没有因为天线的弹性受到影响。这说明增加了速率陀螺的控制模型将控制点后移到了挠性天线，这更加符合天线伺服控制系统的实际控制目标。

本发明并不限于上述实例，在本发明的权利要求书所限定的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种变形或修改均受本专利的保护。

Claims (9)

1.一种基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：包括速率陀螺（1）、天线基座角度测量装置（2）、电机驱动系统（3）、天线速度控制器（4）、位置控制器（5）、传动装置（6）、挠性支架（7）、天线（8）和天线速度反馈控制器（9）；所述速率陀螺（1）为一用于获取天线电轴的空间转动速率的二维速率陀螺，速率陀螺（1）固连在天线电轴上，速率陀螺（1）的两个敏感轴与天线（8）的两个转轴重合或平行；所述位置控制器（5）、天线速度控制器（4）、电机驱动系统（3）、传动装置（6）、挠性支架（7）、天线（8）沿信号传输路径依次连接；所述速率陀螺（1）、天线速度反馈控制器（9）、天线速度控制器（4）、电机驱动系统（3）、传动装置（6）、挠性支架（7）和天线（8）沿信号传输路径依次连接，构成一天线速度反馈回路；所述天线基座角度测量装置（2）、位置控制器（5）、天线速度控制器（4）、电机驱动系统（3）和传动装置（6）沿信号传输路径依次连接，构成一位置反馈回路；所述电机驱动系统（3）为由速度控制器、功率驱动器和电机构成的一个电流与速度的双回路闭环系统。

2.根据权利要求1所述的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述速率陀螺（1）安装在天线（8）柔性最大的位置处。

3.根据权利要求1或2所述的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述速率陀螺（1）的带宽高于天线（8）和挠性支架（7）的带宽。

4.根据权利要求1所述的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述天线基座角度测量装置（2）采用旋转变压器或光电编码器，用于测量天线转台的角度信息。

5.根据权利要求1所述的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述电机驱动系统（3）的输入为电机速度指令，电机驱动系统（3）的输出为电机转速信号。

6.根据权利要求1所述的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述传动装置（6）将电机的输出转速转化为天线转台的角位置输出。

7.根据权利要求1所述的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述位置控制器（5）采用PID控制方式输出控制天线转台角度位置的控制指令。

8.根据权利要求1所述的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述天线速度反馈控制器（9）采用比例控制方式调整速率陀螺（1）反馈信号的强弱。

9.根据权利要求1、5、7或8所述的基于速率陀螺的挠性天线伺服控制系统，其特征在于：所述天线速度控制器（4）采用比例控制或比例积分控制方式生成电机驱动系统（3）的速度控制指令，天线速度控制器（4）的输入为位置控制器（5）和天线速度反馈控制器（9）之差。

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