CN102608912A - 主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法 - Google Patents

主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法 Download PDF

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本发明涉及惯性导航控制技术，具体是一种主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法。本发明解决了目前尚无一种能够有效提高主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的控制品质的方法的问题。主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法，该方法是采用如下步骤实现的：a.采用大量程陀螺、小量程陀螺、高速模拟-数字转化采集电路构成转速复合测量-转速误差补偿系统；b.采用两个高精度加速度计构成陀螺g值敏感性补偿系统；c.采用逐次逼近PID整定方法对驱动系统的PID控制器进行参数整定；d.采用伺服电机与高精度编码器构成高动态响应驱动电机执行系统。本发明适用于高转速、小体积飞行器的姿态、轨迹测量。

Description

主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法
技术领域
本发明涉及惯性导航控制技术，具体是一种主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法。
背景技术
惯性导航是20世纪中期发展起来的导航技术，这种技术通过惯性测量装置测量载体相对惯性空间的角速率以及加速度信息，利用牛顿运动定律推算载体的瞬时姿态，速度和位置信息，具有不依赖外界信息、不对外辐射能量、不受干扰、隐蔽性强的优点。半捷联惯性测量装置因其具有体积小、成本低、维护简单、测量精度高、计算量适中等特点，广泛应用于惯性导航。根据半捷联惯性测量装置在实现半捷联过程中是否具有驱动系统，可以将半捷联惯性测量装置分为被动式与主动式两种。其中，被动式半捷联惯性测量装置具有结构简单、易于安装、成本低的优点。但是被动式半捷联惯性测量装置需要根据实际测量对象进行具体参数设计，因而对不同测量对象的通用性较差。主动式半捷联惯性测量装置具有闭环控制、系统体积小等特点，使得主动式半捷联惯性测量装置具有测量精度更高、对测量对象通用性更好等优点。由于主动式半捷联惯性测量装置具有驱动系统，其驱动系统的控制品质将直接影响到主动式半捷联惯性测量装置的测量精度。因此，如果能够有效地提高主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的控制品质，就可以大幅度地提高主动式半捷联惯性测量装置的测量精度和应用范围。基于此，有必要发明一种能够有效提高主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的控制品质的方法。然而目前并无这样一种方法。
发明内容
本发明为了解决目前尚无一种能够有效提高主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的控制品质的方法的问题，提供了一种主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法，该方法是采用如下步骤实现的：a.采用大量程陀螺、小量程陀螺、高速模拟-数字转化采集电路构成转速复合测量-转速误差补偿系统；大量程陀螺安装于驱动系统的电机轴向，用于驱动系统的电机在高转速情况下的转速采集；小量程陀螺安装于惯性测量装置轴向，用于驱动系统的电机在极低转速情况下的转速采集，以及用于驱动系统的电机在高转速情况下对大量程陀螺的测量误差进行补偿；高速模拟-数字转化采集电路安装于驱动系统中，用于实现大量程陀螺和小量程陀螺的同步高速采集；b.采用两个高精度加速度计构成陀螺g值敏感性补偿系统；两个高精度加速度计分别安装于大量程陀螺附近处与小量程陀螺附近处，分别用于对大量程陀螺和小量程陀螺所受到的重力加速度进行测量，进而补偿大量程陀螺与小量程陀螺在测量过程中因重力影响而产生的测量误差；c.采用逐次逼近PID整定方法对驱动系统的PID控制器进行参数整定；通过大量程陀螺输出的采样值建立驱动系统的电机的阶跃响应曲线；通过小量程陀螺输出的采样值解算驱动系统的电机实际转速与目标转速之间的误差量；采用模糊控制方法逐次微调整驱动系统的PID控制器的参数；采用Ziegler-Nichols常规整定方法对驱动系统的PID控制器的参数进行整定；d.采用具有高响应速度和能够精确定位的伺服电机与高精度编码器构成高动态响应驱动电机执行系统；伺服电机与高精度编码器根据驱动系统的PID控制器的参数作出实时快速准确的转速响应，并随时对驱动系统的电机的微小旋转误差进行补偿。
本发明有效解决了目前尚无一种能够有效提高主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的控制品质的方法的问题，其实现了主动式半捷联惯性测量装置在各种工作情况（如载体从静止瞬间启动为高速旋转状态、载体处于转速频繁剧烈变化状态等）下能够正常工作，适用于高转速、小体积飞行器的姿态、轨迹测量。
附图说明
图1是本发明的主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的结构示意图。
图2是本发明的驱动系统的电机的阶跃响应曲线图。
图中：1-驱动系统的电机，2-惯性测量装置，3-大量程陀螺的安装位置，4-小量程陀螺的安装位置。
具体实施方式
主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法，该方法是采用如下步骤实现的：
a.采用大量程陀螺、小量程陀螺、高速模拟-数字转化采集电路构成转速复合测量-转速误差补偿系统；大量程陀螺安装于驱动系统的电机1轴向，用于驱动系统的电机1在高转速情况下的转速采集；小量程陀螺安装于惯性测量装置2轴向，用于驱动系统的电机1在极低转速情况下的转速采集，以及用于驱动系统的电机1在高转速情况下对大量程陀螺的测量误差进行补偿；高速模拟-数字转化采集电路安装于驱动系统中，用于实现大量程陀螺和小量程陀螺的同步高速采集；
b.采用两个高精度加速度计构成陀螺g值敏感性补偿系统；两个高精度加速度计分别安装于大量程陀螺附近处与小量程陀螺附近处，分别用于对大量程陀螺和小量程陀螺所受到的重力加速度进行测量，进而补偿大量程陀螺与小量程陀螺在测量过程中因重力影响而产生的测量误差；
c.采用逐次逼近PID整定方法对驱动系统的PID控制器进行参数整定；通过大量程陀螺输出的采样值建立驱动系统的电机1的阶跃响应曲线；通过小量程陀螺输出的采样值解算驱动系统的电机1实际转速与目标转速之间的误差量；采用模糊控制方法逐次微调整驱动系统的PID控制器的参数；采用Ziegler-Nichols常规整定方法对驱动系统的PID控制器的参数进行整定；
d.采用具有高响应速度和能够精确定位的伺服电机与高精度编码器构成高动态响应驱动电机执行系统；伺服电机与高精度编码器根据驱动系统的PID控制器的参数作出实时快速准确的转速响应，并随时对驱动系统的电机1的微小旋转误差进行补偿。
所述步骤a中，大量程陀螺的敏感轴和小量程陀螺的敏感轴均指向驱动系统的电机1轴向。
所述步骤b中，两个高精度加速度计的敏感轴均与驱动系统的电机1的横滚轴垂直。
所述步骤c中，建立驱动系统的电机的阶跃响应曲线后，求得驱动系统的传递函数：                                                
Figure 2012100782207100002DEST_PATH_IMAGE001
；式中，
Figure 534020DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 2012100782207100002DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 138308DEST_PATH_IMAGE004
均为特征参数；
Figure 217122DEST_PATH_IMAGE002
值为大量程陀螺输出的连续两次采样值的比值；
Figure 590466DEST_PATH_IMAGE003
值为大量程陀螺单次采样时间的值；通过小量程陀螺输出的连续三次采样值解算驱动系统的电机1实际转速与目标转速之间的误差量，并将解算出的误差量作为模糊控制的变量；然后根据模糊控制权值表计算驱动系统的PID控制器的实际转速与目标转速之间的差值变化趋势权值，进而根据权值计算出
Figure 362113DEST_PATH_IMAGE004
值；而后将
Figure 188118DEST_PATH_IMAGE002
值、值、
Figure 298473DEST_PATH_IMAGE004
值代入Z-N整定表，根据Z-N整定表对驱动系统的PID控制器的参数进行整定。
图2所示为驱动系统的电机的阶跃响应曲线。结合图2进一步做如下说明：假设驱动系统的电机初始转速为Y(0)，直线AB为过阶跃响应曲线拐点的切线，切点为P点。切线与Y(0)交点为A点，与目标转速Y(∞)的交点为B点。线段AB在时间轴上投影的长度值即为
Figure 116387DEST_PATH_IMAGE003
值，A点到驱动系统的电机的启动初始时间的长度值即为
Figure 554322DEST_PATH_IMAGE004
值。设小量程陀螺的连续三次采样转速值为rn+1、rn+2、rn+3，则将（rn+2–rn+1）、（rn+3–rn+2）作为模糊控制的变量。设驱动系统的PID控制器的实际转速与目标转速之间的差值变化趋势权值为q={-3，-2，-1，0，1，2，3}。在每一次小量程陀螺采样后根据模糊控制权值表计算权值q，则可以得出L=5q。所述模糊控制权值表如下：
Figure 850305DEST_PATH_IMAGE006
上表中：e=（rn+3 –rn+2）；ec=[（rn+2 –rn+1）-（rn+3 –rn+2）]。
设α= KL/T，将
Figure 322875DEST_PATH_IMAGE002
值、
Figure 311691DEST_PATH_IMAGE003
值、
Figure 236921DEST_PATH_IMAGE004
值代入Z-N整定表，根据Z-N整定表对驱动系统的PID控制器的参数进行整定。所述Z-N整定表如下：
Figure 336596DEST_PATH_IMAGE008
上表中：kp为控制器的相应速度，Ti为控制器的实际转速与目标转速之间的差值变化趋势，Td为控制器的实际转速与目标转速之间的差值；P为比例控制器，PI为比例积分控制器，PID为比例微分积分控制器。
具体实施时，大量程陀螺采用NUC-ARG-30RPS型角速率传感器，其测量范围为±10800度每秒，分辨力为10度每秒。小量程陀螺采用ADXRS300型角速率传感器。大量程陀螺的安装位置3、小量程陀螺的安装位置4如图1所示。伺服电机采用HUM04050A00型低压伺服电机，其输出功率为50W，最高转速为4000RPM，驱动电压为24V，启动加速度大于8000度每二次方秒，位置控制误差小于360°/214，能够满足驱动系统工作于复杂环境中系统对驱动的响应要求。

Claims (4)

1.一种主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
a.采用大量程陀螺、小量程陀螺、高速模拟-数字转化采集电路构成转速复合测量-转速误差补偿系统；大量程陀螺安装于驱动系统的电机（1）轴向，用于驱动系统的电机（1）在高转速情况下的转速采集；小量程陀螺安装于惯性测量装置（2）轴向，用于驱动系统的电机（1）在极低转速情况下的转速采集，以及用于驱动系统的电机（1）在高转速情况下对大量程陀螺的测量误差进行补偿；高速模拟-数字转化采集电路安装于驱动系统中，用于实现大量程陀螺和小量程陀螺的同步高速采集；
b.采用两个高精度加速度计构成陀螺g值敏感性补偿系统；两个高精度加速度计分别安装于大量程陀螺附近处与小量程陀螺附近处，分别用于对大量程陀螺和小量程陀螺所受到的重力加速度进行测量，进而补偿大量程陀螺与小量程陀螺在测量过程中因重力影响而产生的测量误差；
c.采用逐次逼近PID整定方法对驱动系统的PID控制器进行参数整定；通过大量程陀螺输出的采样值建立驱动系统的电机（1）的阶跃响应曲线；通过小量程陀螺输出的采样值解算驱动系统的电机（1）实际转速与目标转速之间的误差量；采用模糊控制方法逐次微调整驱动系统的PID控制器的参数；采用Ziegler-Nichols常规整定方法对驱动系统的PID控制器的参数进行整定；
d.采用具有高响应速度和能够精确定位的伺服电机与高精度编码器构成高动态响应驱动电机执行系统；伺服电机与高精度编码器根据驱动系统的PID控制器的参数作出实时快速准确的转速响应，并随时对驱动系统的电机（1）的微小旋转误差进行补偿。
2.根据权利要求1所述的主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法，其特征在于：所述步骤a中，大量程陀螺的敏感轴和小量程陀螺的敏感轴均指向驱动系统的电机（1）轴向。
3.根据权利要求1所述的主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法，其特征在于：所述步骤b中，两个高精度加速度计的敏感轴均与驱动系统的电机（1）的横滚轴垂直。
4.根据权利要求1所述的主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法，其特征在于：所述步骤c中，建立驱动系统的电机的阶跃响应曲线后，求得驱动系统的传递函数：                                                
Figure 2012100782207100001DEST_PATH_IMAGE001
；式中，、
Figure 2012100782207100001DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 357004DEST_PATH_IMAGE004
均为特征参数；
Figure 644897DEST_PATH_IMAGE002
值为大量程陀螺输出的连续两次采样值的比值；
Figure 672896DEST_PATH_IMAGE003
值为大量程陀螺单次采样时间的值；通过小量程陀螺输出的连续三次采样值解算驱动系统的电机（1）实际转速与目标转速之间的误差量，并将解算出的误差量作为模糊控制的变量；然后根据模糊控制权值表计算驱动系统的PID控制器的实际转速与目标转速之间的差值变化趋势权值，进而根据权值计算出
Figure 729845DEST_PATH_IMAGE004
值；而后将
Figure 794884DEST_PATH_IMAGE002
值、
Figure 694706DEST_PATH_IMAGE003
值、值代入Z-N整定表，根据Z-N整定表对驱动系统的PID控制器的参数进行整定。
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