CN102508502A - 一种悬吊平台系统的方位控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种悬吊平台系统的方位控制系统及方法，本发明适用于悬吊平台搭载具有高方位机动性、较大转动惯量负载时的方位控制。针对方位角位置传感器数据更新频率较低的问题，在悬吊平台方位角位置控制环路内部，增加一个以角速率陀螺的采样信号作为反馈的平台方位角速度控制环。具体实现方法为：先测量功率放大装置输入信号到陀螺输出信号的频率特性，依据频率特性设计控制算法；完成速度闭环之后，再根据速度闭环后系统频率特性设计方位角位置控制器。角速率陀螺具有较高的数据更新速率，角速度控制环的带宽往往高于角位置控制环，所以本发明可以提高悬吊平台方位角位置控制环的响应速度和伺服刚度，提高方位控制系统的抗干扰能力。

Description

一种悬吊平台系统的方位控制系统及其方法

技术领域

本发明属于控制工程领域，特别涉及一种悬吊平台系统的方位控制系统及其方法。

背景技术

基于气球、飞艇等高空浮空载体的悬吊平台，是指通过柔性连接吊挂在浮空载体下方的设备搭载平台，在天文观测、气象、遥感、高能物理等科学领域有广阔的应用前景。悬吊平台通常吊挂在载体下方10～100米处，只搭载仪器设备时通常称作“吊篮”。根据中科院北京天文台已进行的实验资料(叶详明，博士学位论文《大型球载望远镜高精度姿态控制及其指向技术研究》)，绕悬吊轴的随机转动是影响吊篮姿态稳定的主要原因，因而方位控制对平台姿态的稳定有重要的意义。

国内对于浮空载体悬吊平台的方位控制的研究，已经取得一定进展。中国科学院紫金山天文台王楠森等人的公开号为CN2539985Y的专利“定向姿态控制吊篮”中提出了用于大气层外射线研究的高空气球悬吊平台方向控制系统的机械结构和功能构架：带有反捻机构和基于动量交换原则的姿态控制机构。王楠森等人的另外一项公开号为CN1380592C的专利“高空气球天文观测吊篮的定向姿态控制方法”提出了基于高空气球的悬吊平台方位控制的方法：利用磁敏感器件检测方位角位置信息，利用力矩电机和反作用飞轮作为执行机构控制悬吊平台方位。林宝军等人在论文《球载平台控制系统状态观测器设计》(《计算机仿真》1999年1月刊)中提出了利用高空气球悬吊平台的方位角信息和反作用飞轮转速信息构建状态观测器，从而控制高空球载悬吊平台方位角的方法。何琳琳等人在论文《高空气球吊篮方位控制系统的反作用飞轮控制模式》(《微特电机》2006年第7期)和论文《高空气球吊篮方位控制的反作用飞轮系统》(《微特电机》2007年第8期)中设计了一种速率控制模式下的反作用飞轮控制系统，该系统工作在方位角位置环内部，提高了执行机构的驱动能力。

国外对这一领域的研究较多集中在应用领域。澳大利亚科学家在90年代初放飞了用于收集太空射线的高空气球，搭载设备的悬吊平台可以自动回复参考位置(R.Sood，et al，《Geomagnetic field based orientation systems for balloon-borne astronomy payloads》)。1993～1995年由美国空军菲力蒲实验室开展的高空气球实验(HABE)，其悬吊平台搭载的光学跟踪设备上使用了地磁仪和陀螺测量姿态角位置和角速度，但二者的控制对象是放置在悬吊平台上作为负载的万向架，而不是悬吊平台本身(《Altitude control and trajectory for the HighAltitude Balloon Experiment》，Schulthess，Lt.M.et al，SPIE Vol.2221.)。美国Johns Hopkins大学2001年1月研制的用于观测太阳活动的高空气球，其悬挂平台搭载有天文望远镜，指向系统保证平台始终指向太阳(Pietro N，et al，《A balloon-borne telescope for high resolution solarimaging and polarimetry》)。意大利科学家2005年研制的球载方位稳定悬吊平台，接受GPS的方位信号，通过驱动反作用飞轮，完成对平台的方位控制(G.Di Cocco，et al，《A highperformance balloon gondola for fine angular resolution X-ray telescopes》)。

以上系统均采用地磁信息或卫星定位信息进行方位角检测，而地磁信息敏感系统和卫星定位信息的采样频率都比较低，分别为几十赫兹和1赫兹左右，因而其对扰动的抑制带宽都比较低。以上系统的负载都相对平台保持静止或具有较低的方位机动性，因而采用单一的方位角位置闭环就可以满足设计需要。而针对具有较高方位机动性和较大转动惯量的负载，当负载转动时，采用单一的方位角位置控制环很难将平台的方位角稳定在给定范围之内。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：对于通过柔性联接悬吊在气球、飞艇等浮空载体下方的设备搭载平台，当其上搭载有较大转动惯量，较高方位机动性的负载时，平台的方位角跟踪和稳定能力将大大下降，如何在角位置检测设备和执行机构不变的条件下提高悬吊平台方位角跟踪和稳定能力。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种悬吊平台系统的方位控制系统，该悬吊平台系统包含如下硬件组成部分：悬吊平台、安装在主缆上的反捻机构、方位角测量器件、用于测量方位角速度的角速率陀螺、带有A/D及D/A功能的数字控制器，以及由功率放大和变换装置、电机驱动的角动量交换装置组成的方位控制执行机构，以上各部分按照如下结构构成控制系统：

1)悬吊平台上安装能够测量平台绕方位轴旋转运动时的方位角速度的角速率陀螺；

2)将角速率陀螺测量得到的平台绕方位轴旋转运动时的方位角速度信息反馈给数字控制器；

3)将方位角测量器件测得的平台方位角位置信息反馈给数字控制器。

进一步的，在控制系统结构构成上存在以方位角速度信息为反馈信号的采样频率较高的角速度控制环，在角速度控制环外存在以方位角位置信息为反馈信号的采样频率较低的角位置控制环；在角速度控制环内还可根据需要存在执行机构内环。

根据上述的一种悬吊平台系统的方位控制系统的控制方法，包括以下实现步骤：

步骤(1)在平台上安装测量方位角速度的角速率陀螺；

步骤(2)测量功率放大和变换装置输入信号到陀螺输出信号的频率特性，依据频率特性设计控制算法；

步骤(3)在控制器中实现控制算法，控制器输入为角速度给定信号和角速率陀螺反馈的平台实测角速度信号，输出为功率驱动和变换装置的输入信号；

步骤(4)测量角速度控制环闭环后的角速度控制器输入到角位置输出的频率特性，设计角位置环控制器，实现系统角位置闭环。

本发明的原理如下：

系统应有如下部件构成：悬吊平台、安装在主缆上的反捻机构、方位角测量传感器、功率放大和变换装置、电机驱动的角动量交换装置(如反作用飞轮、控制力矩陀螺、变速控制力矩陀螺)，用于测量方位角速度的角速率陀螺，带有A/D，D/A功能的数字控制器作为控制器。系统结构如附图1。悬吊平台上有能够测量平台角速度信息的角速率陀螺；以平台方位角速度信号作为反馈信号的高采样率方位角速度控制环；方位角速度控制环外部存在采样率较低的方位角位置控制环；方位角速度控制环内部，根据系统需要可以存在执行机构控制环，包括但不限于以下形式控制环路：电流环、加速度环、动量交换装置的转速控制环。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)将其他领域比较成熟的角位置+角速度的多闭环控制结构引入到浮空载体悬吊平台的方位控制系统中，与现有的悬吊平台方位控制技术相比，增加了一个高采样率的角速度控制环，提高了系统的响应速度，增强了系统的抗扰动能力；

(2)本发明在硬件实现上只需在现有悬吊平台控制系统中增加角速率陀螺，投入成本较低；

(3)本发明提出的控制策略，适用于载有高方位机动性和较大转动惯量负载的悬吊平台，扩展了悬吊平台的应用范围。

附图说明

图1(a)及图1(b)为本发明的基于角速率陀螺反馈信息的悬吊平台系统的方位控制系统的框图；其中，图1(b)为图1(a)中执行机构的内部结构框图；

图2为本发明的实现流程图；

图3为本发明的控制器主程序流程图；

图4为本发明的控制器中断响应子程序流程图；

图5为本发明的状态判定及转移子程序流程图。

具体实施方式

以下说明本发明的实施例。但以下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的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

下面以某悬吊平台系统方位控制系统的实施例为例对本发明进一步说明。

某悬吊平台已安装方位控制执行机构、方位测量器件、带有A/D，D/A等接口的数字控制器。控制系统结构按图1所示的方式布置。以下步骤完成控制系统设计和实现：

(1)在平台上安装西安中星测控有限公司生产的CS-ARS-12角速率陀螺，安装时确保陀螺测量的角度为悬吊平台的方位角。

(2)使用动态信号分析仪测量功率放大装置的输入信号到角速率陀螺输出电压信号的频率响应特性。测得系统方位角速度响应特性，经拟合得到下面的传递函数：

$G_v\left(s\right)=\frac{646.268\×(s^2+7.875s+1281)}{(s+18.84)(s+3.963)(s^2+37.68s+2218)}$

设计角速度环控制器G_vc，得到：

$G_{\mathrm{vc}}\left(s\right)=0.3239\×\frac{1+2.8s}{s}$

(3)以500Hz的采样频率实现角速度环控制器。控制器输入为给定角速度与实测角速度信号的差值。叠加控制器后，角速度控制环开环响应截止频率2.01Hz，相位裕度64°。

(4)根据闭环后系统角位置频率响应特性设计角位置环控制器G_Pc：

$G_{\mathrm{Pc}}=\frac{0.5287\×(2.8s+1)}{s}$

以20Hz的采样率实现该控制器，发现方位控制系统角位置控制环开环截止频率0.39Hz，相位裕度78.4°。

以上控制算法在同一块控制器中实现，软件实现流程参见附图3、附图4、附图5。

本发明所示的系统角位置环和角速度环控制器可以用同一台数字控制器实现，其软件流程见附图3、附图4、附图5。控制器主程序流程如图3所示，软硬件初始化后进入等待状态，接收到中断信号后，进入中断响应程序，完成后回到等待状态。中断响应主程序如图4所示，角位置环控制算法和角速度环控制算法以不同的采样率工作。控制器分三种工作状态，根据人工指令和飞轮转速切换，切换状态的逻辑关系如图5所示。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (3)

1.一种悬吊平台系统的方位控制系统，其特征在于：该悬吊平台系统包含如下硬件组成部分：悬吊平台、安装在主缆上的反捻机构、方位角测量器件、用于测量方位角速度的角速率陀螺、带有A/D及D/A功能的数字控制器，以及由功率放大和变换装置、电机驱动的角动量交换装置组成的方位控制执行机构，以上各部分按照如下结构构成控制系统：

1)悬吊平台上安装能够测量平台绕方位轴旋转运动时的方位角速度的角速率陀螺；

2)将角速率陀螺测量得到的平台绕方位轴旋转运动时的方位角速度信息反馈给数字控制器；

3)将方位角测量器件测得的平台方位角位置信息反馈给数字控制器。

2.根据权利要求1所述的一种悬吊平台系统的方位控制系统，其特征在于：在控制系统结构构成上存在以方位角速度信息为反馈信号的采样频率较高的角速度控制环，在角速度控制环外存在以方位角位置信息为反馈信号的采样频率较低的角位置控制环，在角速度控制环内还可根据需要存在执行机构内环。

3.根据权利要求1或2所述的一种悬吊平台系统的方位控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下实现步骤：

步骤(1)在平台上安装测量方位角速度的角速率陀螺；

步骤(2)测量功率放大和变换装置输入信号到陀螺输出信号的频率特性，依据频率特性设计控制算法；

步骤(3)在控制器中实现控制算法，控制器输入为角速度给定信号和角速率陀螺反馈的平台实测角速度信号，输出为功率驱动和变换装置的输入信号；

步骤(4)测量角速度控制环闭环后的角速度控制器输入到角位置输出的频率特性，设计角位置环控制器，实现系统角位置闭环。

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