CN102506860B - 一种基于加速度反馈与前馈的惯性稳定装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加速度反馈与前馈的惯性稳定装置及其控制方法，该惯性稳定装置包括加速度计、陀螺、转台、基座、伺服控制器；该控制方法是反馈与前馈相结合的复合控制，具体方法如下：反馈稳定回路包含加速度内回路和陀螺外回路，其中加速度反馈信号是由加速度计实际测量得到；加速度前馈信号是由安装在基座上的加速度计提供，将该信号经过一个低通滤波器后引入到加速度反馈输入的节点处。本发明具有结构简单、鲁棒性好、稳定性能高、非常利于工程实现。

Description

一种基于加速度反馈与前馈的惯性稳定装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及惯性稳定的技术领域，具体涉及一种基于加速度反馈与前馈的惯性稳定装置及其控制方法，可用于高精度惯性平台的稳定。

背景技术

惯性稳定平台广泛应用在航空、航天、航海等领域中，是现代生活不可缺少的关键技术。其主要作用是隔离外界干扰，在惯性空间内保持稳定。而惯性稳定控制技术主要以陀螺为关键器件，但是由于机械结构、传感器等条件的限制，很难提高陀螺闭环带宽。在很多恶劣的环境中，比如剧烈的风力矩、基座的扰动力矩等，基于陀螺稳定的系统不能很好地满足工程要求。在工程实现上，很多的控制技术诸如自适应控制、非线性控制、智能控制等都有相应的不足。而基于扰动的前馈控制被认为是一种很好的控制方法，但是由于模型不确定性、前馈信号精确获取、控制方式等问题，控制效果不是很明显。

加速度反馈可以显著地提高控制系统性能。将加速度反馈应用在控制系统中已经有很多文献如(Contact transition control via joint acceleration feedback.IEEE transactions on industrialelectronics，Vol.47，No.1，2004.)、(Acceleration Feedback Control for Low Velocity Friction inServo Control System.Vol.7281，SPIE，2008.)、(负载加速度反馈的伺服系统谐振抑制.光电工程，2007，34(7))。而将加速度反馈与前馈的控制方法用于惯性稳定平台中，隔离基座的扰动，提高稳定能力，目前还是存在理论分析阶段。这主要是由于角加速度的获取以及加速度反馈与前馈控制方式等都给工程实现带来了诸多问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服以上提到的现有技术的不足，提供一种基于加速度反馈与前馈的惯性稳定装置及其控制方法，可以有效地提高系统稳定能力，并且本发明简单可靠，工程实现容易。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：一种基于加速度反馈与前馈的惯性稳定装置，其特征在于：由伺服转台1、基座2、伺服控制器3组成，其中伺服转台上装有两个线加速度计4，5用于测量伺服转台1的角加速度；陀螺6用于测量伺服转台1的角速度。在基座2上同样安装有两个线加速度计7，8用于测量基座2扰动角加速度。

进一步的，实现该装置的控制方法是稳定控制方式为反馈与前馈两种模式的复合控制。具体就是利用实际测量转台的加速度信息实现加速度反馈，形成内稳定回路，陀螺反馈为外稳定回路；利用实际测量基座的角加速度经过一个低通滤波器后，将此信息前馈到加速度反馈输入的节点处。

进一步的，低通滤波器的带宽太宽、太低都不会给系统带来很好的效果。而应该在不超过加速度闭环带宽内，根据扰动信号的频率特性而设置。

同时，前馈控制能够实现的条件是加速度反馈回路高增益的作用，从而使得加速度闭环近似为常数环节。这要求限制了加速度控制器中必须含有积分器，这样才能获得高增益。

本发明相对于现有技术的优点为：

(1)本发明相比陀螺稳定系统，可以有效地提高系统稳定能力。

(2)本发明仅仅增加了加速度传感器，方法简单可靠，工程实现容易。

(3)本发明采用了基于加速度反馈与前馈的控制方法，闭环系统具有良好的快速性、鲁棒性。

附图说明

图1：本发明一种基于加速度反馈与前馈的惯性稳定装置示意图；

图中，1为伺服转台、2为基座、3为伺服控制器；4、5、7、8均为线加速度计；6为陀螺。

图2：本发明控制结构图；

图中，基座传递函数特性：G₁；    转台传递函数特性：G；

前馈控制器：C_ff；               速度控制器：C_v；

加速度控制器：C_a；              扰动：T_d；

速度输入：R；                   速度输出：Y。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明，本领域的技术人员可根据本说明书揭示的内容了解本发明的功效及优点。

如图1所示，基于加速度反馈与前馈的惯性稳定装置包括伺服转台1、基座2和伺服控制器3，其中伺服转台1上装有两个线加速度计4以及5，用于测量伺服转台1的角加速度；陀螺6用于测量伺服转台1的角速度。在基座2上同样安装有两个线加速度计7以及8，用于测量基座2扰动角加速度。在这里应注意到，陀螺6敏感轴应平行于伺服转台1的旋转轴，而线加速度计4以及5的敏感轴应为伺服转台1旋转的切线方向，同样线加速度计7以及线加速度计8的敏感轴应垂直基座2的侧端面；

伺服控制器3用于惯性稳定装置的闭环控制，具体包含功率驱动、控制板卡、数据采集单元(数据采集单元包括模拟电路预处理单元、A/D、D/A)、驱动电源等。通过数据采集单元获取陀螺6、线加速度计4、5、7及8的模拟信号。采用线加速度计4、5输出值相减并乘于一个比率系数就是可以得到伺服转台1的角加速度信号。同理，采用线加速度计7、8输出值相减并乘于一个比率系数就是可以得到基座2的角加速度信号。该方法即参考文献(Contact transition control via joint acceleration feedback.IEEE transactions on industrialelectronics，Vol.47，No.1，2004.)介绍的方法，分别得到伺服转台1、基座2的角加速度信号。陀螺或测速机都可以得到转台的速度信号，只是测量的原理和用途不一样，采用它们之一所构成的速度反馈是控制系统领域非常常见的。于是，按照经典的频率设计方法很容易实现反馈回路：加速度内回路、陀螺外回路。值得特别注意的是加速度前馈信号应通过一个低通滤波器消除高频信号，然后引入加速度反馈输入的节点处。

按照上述方法能够实现该方法的原理如下：根据一般弹性系统可以得到电机-负载数学模型公式(1)，

$G=\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\τ}}_m}=\frac{1}{(J_m+J_L)}\frac{K}{J_m{J}_L/(J_m+J_L)s^2+d_{s}s+K}---\left(1\right)$

其中，J_L、J_m分别是负载和电机转动惯量；θ、分别为电机转角、角速度、角加速度；K是负载和电机连接轴刚度；τ_m是电机提供的力矩；d_s是阻尼系数。由控制结构图1可以知道，该方法稳定能力为：

$\frac{T_d}{\mathrm{sY}}=\frac{G_1\frac{{\mathrm{GG}}_a}{1+G_{a}G}\frac{1}{s}{G}_{\mathrm{ff}}+G_1}{1+\frac{1}{s}\frac{{\mathrm{GG}}_a}{1+G_{a}G}{G}_v}---\left(2\right)$

由公式(2)可以知道当时，也就是前馈控制器中包含加速度信息，就可以完全消除扰动的影响。

如果没有加速度反馈回路，由控制结构图1可以知道：

$\frac{T_d}{\mathrm{sY}}=\frac{G_{1}G\frac{1}{s}{G}_{\mathrm{ff}}+G_1}{1+\frac{1}{s}{\mathrm{GG}}_v}---\left(3\right)$

显然，加速度前馈控制器才能消除扰动的影响，这种分析似乎也是正确的。但是如果没有加速度回路，控制对象模型不会表现如公式(1)的固定特性，在受到外界干扰的情况下，会发生变化，于是加速度前馈就是失败的。而加速度闭环后在加速度闭环带宽内是完全成立的，因此，在加速度反馈的基础上施加加速度前馈是完全可行的。这里隐含的一个要求就是加速度反馈控制器必须提供很高的控制器增益，也就是说应该含有积分器。

对加速度前馈信号进行低通滤波器处理主要是为了防止高频信号的干扰。低通滤波器的带宽太宽、太低都不会给系统带来很好的效果，而应该在不超过加速度闭环带宽内，根据扰动信号的频率特性而设置。

如果只有陀螺稳定回路(当前稳定方法)，可以知道系统稳定能力为：

$\frac{T_d}{\mathrm{sY}}=\frac{1}{1+\frac{1}{s}{\mathrm{GG}}_v}---\left(4\right)$

比较公式(2)、(4)可以明显知道本发明的有效性。

诸如文献(Acceleration Feedback Control for Low Velocity Friction in Servo Control System.Vol.7281，SPIE，2008.)、(负载加速度反馈的伺服系统谐振抑制.光电工程，2007，34(7))，所述克服摩擦、抑制机械谐振等优点，本发明同样具有，即由于采用了高增益的加速度反馈控制器，比以往单纯的速度反馈系统来说应该看到：加速度反馈给控制系统带来的好处比如克服摩擦、抑制机械谐振、提高控制系统响应等优点，本发明同样具有。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

但上述的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求书限定的全部内容；而且通过上述实施例对本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求书的全部内容。

Claims (1)

1.一种基于加速度反馈与前馈的惯性稳定装置的控制方法，其特征在于：该惯性稳定装置包括伺服转台(1)、基座(2)和伺服控制器(3)，其中：

伺服转台(1)上装有2个线加速度计4，5用于测量伺服转台(1)的角加速度；陀螺(6)用于测量伺服转台(1)的角速度；

基座(2)上也安装有2个线加速度计7，8，用于测量基座(2)扰动角加速度；陀螺(6)敏感轴应平行于伺服转台(1)的旋转轴，而线加速度计4以及线加速度计5的敏感轴应为伺服转台(1)旋转的切线方向，同样线加速度计7以及线加速度计8的敏感轴应垂直基座(2)的侧端面；

伺服控制器(3)用于惯性稳定装置的闭环控制，具体包含功率驱动、控制板卡、数据采集单元、驱动电源；通过数据采集单元获取陀螺(6)、上述4个线加速度计4、5、7、8的模拟信号；采用线加速度计4、5输出值相减并乘于一个比率系数就是可以得到伺服转台(1)的角加速度信号；同理，采用线加速度计7、8输出值相减并乘于一个比率系数就是可以得到基座(2)的角加速度信号，

根据一般弹性系统可以得到电机-负载数学模型公式(1)，

$G=\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\τ}}_m}=\frac{1}{(J_m+J_L)}\frac{K}{J_m{J}_L/(J_m+J_L)s^2+d_{s}s+K}---\left(1\right)$

其中，J_L、J_m分别是负载和电机转动惯量；θ、分别为电机转角、角速度、角加速度；K是负载和电机连接轴刚度；τ_m是电机提供的力矩；d_s是阻尼系数，

该方法稳定能力为：

$\frac{T_d}{\mathrm{sY}}=\frac{G_1\frac{G{C}_a}{1+C_{a}G}\frac{1}{s}{C}_{\mathrm{ff}}+G_1}{1+\frac{1}{s}\frac{G{C}_a}{1+C_{a}G}{G}_v}---\left(2\right)$

式中，基座传递函数特性：G₁；  转台传递函数特性：G；

      前馈控制器：C_ff；       速度控制器：C_v；

      加速度控制器：C_a；      扰动：T_d；

      速度输出：Y；

由公式(2)可以知道当时，也就是前馈控制器中包含加速度信息，就可以完全消除扰动的影响；

所述的控制方法的稳定方式为加速度反馈与前馈两种模式的结合；即利用实际测量转台的加速度信息实现加速度反馈，形成内稳定回路，陀螺反馈为外稳定回路；利用实际测量基座的角加速度经过一个低通滤波器后，将此信息前馈到加速度反馈输入的节点处；

所述的低通滤波器的带宽不应超过加速度闭环带宽；

加速度反馈的控制不能只采用比例控制器，而是必须含有积分器，这样才能获得高增益，从而保证加速度前馈的实施。