CN103149950A - 惯性速率复合稳定控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种惯性速率复合稳定控制系统，其中：伺服控制器与伺服转台电气连接，伺服转台的底座连接在基座平台上，伺服转台的旋转方向与第一角速率陀螺和第二角速率陀螺的敏感轴平行；第一角速率陀螺安装在基座平台上，用于将基座平台的扰动信号生成并输出前馈稳定控制信号；通过连接轴将测速机和电机的转轴连接；测速机用于获取电机转动角速度信号；第二角速率陀螺安装在负载上，用于获得伺服转台的角速率信号实现反馈稳定回路；伺服控制器接收并利用速度给定信号、陀螺反馈信号、陀螺角速率前馈信号以及测速机的测速信号，实现速度控制回路、反馈稳定回路、前馈稳定控制，生成速度输出控制信号输出到电机，实现闭环控制。

Description

惯性速率复合稳定控制系统

技术领域

本发明涉及惯性稳定控制领域，具体的涉及一种采用惯性速率传感器实现的复合稳定控制系统，主要用于抑制平台的振动。

背景技术

惯性稳定技术的主要作用是隔离外界干扰，在惯性空间内保持稳定，是一种非常重要的关键技术。目前的稳定技术一般都是基于陀螺实现，控制方式主要分为速率反馈(直接)稳定以及速率前馈(间接)稳定2种方式。如文献(Inertially Stabilized Platform Technology.IEEEcontrol system magazine，2008；Direct Versus Indirect Line of Sight(LOS)Stabilization.IEEE transactions on control systems technology，2003)等都做了相应的报道。速率反馈稳定的能力同速率控制带宽密切相关，但是要获取高的控制带宽是非常困难的。速率前馈稳定无需要高的控制带宽，具有很好的性能，但是需要控制对象具有良好的线性特点，同时需要克服陀螺的漂移。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的提出一种采用惯性速率传感器实现的复合稳定控制系统，有效地抑制振动。

为了实现所述目的，本发明提供一种惯性速率复合稳定控制系统，所述系统解决技术问题的技术方案为：将速率陀螺反馈和速率陀螺前馈同时用于惯性稳定系统中，实现了基于速率陀螺的复合稳定。所述系统由伺服转台、伺服控制器、基座平台、第一角速率陀螺组成；伺服转台主要由测速机、电机、连接轴、负载、第二角速率陀螺组成，其中：

伺服控制器与伺服转台电气连接，用于控制伺服转台转动；

伺服转台的底座连接在基座平台上，伺服转台的旋转方向与第一角速率陀螺和第二角速率陀螺的敏感轴平行；

第一角速率陀螺安装在基座平台上，用于将基座平台的扰动信号生成并输出前馈稳定控制信号；

通过连接轴将测速机和电机的转轴连接；测速机用于获取电机转动角速度信号，用于实现速度控制回路；

第二角速率陀螺安装在负载上，用于获得伺服转台的角速率信号实现反馈稳定回路；

伺服控制器接收并利用速度给定信号、第二角速率陀螺的陀螺反馈信号、第一角速率陀螺的陀螺角速率前馈信号以及测速机的测速信号，实现速度控制回路、反馈稳定回路、前馈稳定控制，生成速度输出控制信号输出到电机，实现闭环控制。

其中，伺服控制器包括：第一减法器、速率控制器、加\减法器、速率前馈控制器、速度控制器第三减法单元，其中：

减法器，接收的第二角速率陀螺输出的反馈信号以及速度给定信号，用于生成并速率误差控制信号a＝a1-a2，a1速度给定信号、a2为反馈信号；

速率控制器，接收速率误差控制信号，用于生成并输出速度控制信号；

加\减法器，接收并综合了速度控制信号、陀螺速率前馈信号以及测速信号，用于生成并输出速度误差控制信号c＝b2+b1-b，b为速度控制信号、b1为陀螺速率前馈信号b1以及b2为测速信号b2；

速率前馈控制器，接收并将第一角速率陀螺的前馈稳定控制信生成并输出陀螺角速率前馈信号；

速度控制器，接收了速度误差控制信号，生成并输出速度控制信号；

控制对象，其输入端与速度控制器的输出端连接，接收速度控制信号，用于驱动控制对象转动并输出转动数据信号；

第三减法单元，其输入端分别连接控制对象的输出端和平台的输出端，将转动数据信号和平台扰动信号进行比较并输出速度信号；

其中，所述反馈稳定回路由第二角速率陀螺、第一减法器、速率控制器和速度给定信号构成，用于实现反馈稳定控制。

其中，所述前馈稳定控制由陀螺角速率前馈信号、第一角速率陀螺和前馈控制器构成，用于实现前馈稳定控制。

本发明相对于现有技术的优点有：本发明采用了基于速率陀螺反馈和速率陀螺前馈想结合的复合稳定控制方法，解决了现有稳定控制性能直采用某一种方法的不足，提高了稳定性能。

(1)本发明不需要额外增加系统带宽；(2)本发明控制算法简单，稳定可靠，工程实现容易；(3)本发明采用反馈与前馈相结合的方式，有效地抑制振动。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2为控制器结构图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式说明本发明，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所示为惯性速率反馈与前馈稳定控制系统，它由伺服转台、伺服控制器1、角速率陀螺3、平台2组成；

所述系统由伺服转台、伺服控制器1、基座平台2、第一角速率陀螺3组成；伺服转台主要由测速机4、电机5、连接轴6、负载7、第二角速率陀螺8组成，其中：

伺服控制器1与伺服转台电气连接，用于控制伺服转台转动；

伺服转台的底座连接在基座平台上2，伺服转台的旋转方向与第一角速率陀螺3和第二角速率陀螺8的敏感轴平行；

第一角速率陀螺3安装在基座平台2上，用于将基座平台的扰动信号生成并输出前馈稳定控制信号；

通过连接轴6将测速机4和电机5的转轴连接；测速机4用于获取电机5转动角速度信号，用于实现速度控制回路；

第二角速率陀螺8安装在负载7上，用于获得伺服转台的角速率信号实现反馈稳定回路；

伺服控制器1接收并利用速度给定信号a1、第二角速率陀螺8的陀螺反馈信号a2、第一角速率陀螺3的陀螺角速率前馈信号b1以及测速机4的测速信号b2，实现速度控制回路、反馈稳定回路、前馈稳定控制，生成速度输出控制信号输出到电机5，实现闭环控制。

图2是发明装置图1所描述的伺服控制器1的结构，包括：其中，伺服控制器1包括：第一减法器9、速率控制器10、加\减法器11、速率前馈控制器12、速度控制器13、第三减法单元15，其中：

减法器9，接收的第二角速率陀螺8输出的反馈信号a2以及速度给定信号a1，用于生成并速率误差控制信号a＝a1-a2；

速率控制器10，接收速率误差控制信号a，用于生成并输出速度控制信号b；

加\减法器11，接收并综合了速度输入控制信号b、陀螺速率前馈信号b1以及测速信号b2，用于生成并输出速度误差控制信号c＝b2+b1-b；

速率前馈控制器12，接收并将第一角速率陀螺3的前馈稳定控制信生成并输出陀螺角速率前馈信号b1；

速度控制器13，接收了速度误差控制信号c，生成并输出速度控制信号；

控制对象14，其输入端与速度控制器13的输出端连接，接收速度控制信号，用于驱动控制对象转动并输出转动数据信号；

第三减法单元15，其输入端分别连接控制对象14的输出端和平台的输出端，将转动数据信号和平台扰动信号进行比较并输出速度信号；

其中，所述反馈稳定回路由第二角速率陀螺8、第一减法器9、速率控制器10和速度给定信号a1构成，用于实现反馈稳定控制。

其中，所述前馈稳定控制由陀螺角速率前馈信号b1、第一角速率陀螺3和前馈控制器12构成，用于实现前馈稳定控制。

伺服控制器1，获取转台角速度信号、角速率信号以及平台的角振动信号，用于稳定系统的闭环控制；

角速率陀螺3安装在平台上2，用于获得平台2的角振动信号；

伺服控制器1，用于稳定系统的闭环控制，具体包含功率驱动单元、控制板卡、采集单元、驱动电源等。控制板卡接受采集单元提供的数字信号，经过计算后送给功率驱动单元。可以看出，控制板卡作为一个中心单元，分别与采集单元、功率驱动连接，驱动电源为功率驱动提供电源。通过采集单元获取测速机4、角速率陀螺8、角速率陀螺3提供的转动角速度信号、角速率信号以及平台的角振动信号。利用该3种信号由伺服控制器分别实现速度反馈回路、速率反馈回路以及前馈控制回路。

所述采集单元包括：模拟电路预处理单元、模数转换器A/D、数模转换器D/A。测速机信号、陀螺信号首先连接到模拟电路预测单元进行电压标定处理，然后引入到模数转换器A/D，最后进入控制板卡。控制板卡综合所有的数字信号后，输出数字信号到数模转换器D/A。

基于频率校正的反馈回路设计已经是非常成熟的方法。通过频率发生器对控制对象扫描，获取频率特性，设计控制器的准则为：相位裕量不小于30°、幅值相位裕量不小于6dB。无论是速度控制器、还是速率控制器，都可以采用比率+积分(PI)类型的控制器。前馈控制器为一比例常数。值得注意的是对速率扰动前馈信号必须经过低通滤波处理后，乘一个常数K₀引入到速度反馈的输入点。在控制板卡里完成速度控制器、速率控制器、前馈控制器，就实现了本发明的控制方法。

由控制结构图2可以知道，该方法对扰动的抑制能力为

$\frac{T_d}{Y}=\frac{G_{\mathrm{ff}}\frac{G_{1}G}{1+G_{1}G}+1}{G_2\frac{G_{1}G}{1+G_{1}G}+1}---\left(1\right)$

式中，扰动记为T_d；速度输出记为Y；前馈控制器记为C_ff；速度控制器记为G₁；控制对象(电机、负载)记为G；速率控制器记为C₂；ff、d是脚标，无任何意义。

只有速率反馈稳定，对扰动的抑制能力为

$\frac{T_d}{Y}=\frac{1}{G_2\frac{G_{1}G}{1+G_{1}G}+1}---\left(2\right)$

只有前馈稳定，对扰动的抑制能力为

$\frac{T_d}{Y}=G_{\mathrm{ff}}\frac{G_{1}G}{1+G_{1}G}+1---\left(3\right)$

比较公式(1)、(2)、(3)可以明显看到速率前馈与反馈的特点：速率反馈稳定的能力同速率控制带宽密切相关，但是要获取高的控制带宽是非常困难的。速率前馈稳定无需要高的控制带宽，具有很好的性能，但是需要控制对象具有良好的线性特点，同时需要克服陀螺的漂移。

由公式(1)可以知道当

也就是前馈控制器中包含角速率信息，就可以完全消除扰动的影响。通常在具体使用的时候前馈信号一般会乘上一个比率常数K₀，用于消除传感器信号标定的不确定性。如果没有速度回路，控制对象模型由于摩擦、间隙的影响，不会表现为单一的固定特性。在受到外界干扰的情况下，会发生变化，于是扰动前馈就是失败的。而速度闭环后在其控制带宽内

$\frac{G_{1}G}{1+G_{1}G}\≈1,$

因此前馈控制器G_ff≈-1在速度闭环带宽内是完全成立的。

这里隐含的一个要求就是速度环路必须提供很高的控制器增益，也就是说应该含有积分器。同时，速度闭环带宽尽可能宽，应该至少2倍于速率环路带宽。否则，速度闭环带宽肯定会限制速率环路的带宽，影响了系统性能。

对扰动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，而应该在不超过速度闭环带宽内，根据扰动信号的频率特性而设置。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (4)

1.一种惯性速率复合稳定控制系统，其特征在于：所述系统由伺服转台、伺服控制器、基座平台、第一角速率陀螺组成；

伺服转台主要由测速机、电机、连接轴、负载、第二角速率陀螺组成，其中：

伺服控制器与伺服转台电气连接，用于控制伺服转台转动；

伺服转台的底座连接在基座平台上，伺服转台的旋转方向与第一角速率陀螺和第二角速率陀螺的敏感轴平行；

第一角速率陀螺安装在基座平台上，用于将基座平台的扰动信号生成并输出前馈稳定控制信号；

通过连接轴将测速机和电机的转轴连接；测速机用于获取电机转动角速度信号，用于实现速度控制回路；

第二角速率陀螺安装在负载上，用于获得伺服转台的角速率信号实现反馈稳定回路；

伺服控制器接收并利用速度给定信号、第二角速率陀螺的陀螺反馈信号、第一角速率陀螺的陀螺角速率前馈信号以及测速机的测速信号，实现速度控制回路、反馈稳定回路、前馈稳定控制，生成速度输出控制信号输出到电机，实现闭环控制。

2.根据权利要求1所述惯性速率复合稳定控制系统，其特征在于：伺服控制器包括：第一减法器、速率控制器、加\减法器、速率前馈控制器、速度控制器、第三减法单元，其中：

减法器，接收的第二角速率陀螺输出的反馈信号以及速度给定信号，用于生成并速率误差控制信号a＝a1-a2；

速率控制器，接收速率误差控制信号，用于生成并输出速度控制信号；

加\减法器，接收并综合了速度输入控制信号、陀螺速率前馈信号b1以及测速信号，用于生成并输出速度误差控制信号c＝b2+b1-b；

速率前馈控制器，接收并将第一角速率陀螺的前馈稳定控制信生成并输出陀螺角速率前馈信号；

速度控制器，接收了速度误差控制信号，生成并输出速度控制信号；

控制对象，其输入端与速度控制器的输出端连接，接收速度控制信号，用于驱动控制对象转动并输出转动数据信号；

第三减法单元，其输入端分别连接控制对象的输出端和平台的输出端，将转动数据信号和平台扰动信号进行比较并输出速度信号；

3.根据权利要求2所述惯性速率复合稳定控制系统，其特征在于：所述反馈稳定回路由第二角速率陀螺、第一减法器、速率控制器和速度给定信号构成，用于实现反馈稳定控制。

4.根据权利要求2所述惯性速率复合稳定控制系统，其特征在于：所述前馈稳定控制由陀螺角速率前馈信号、第一角速率陀螺和前馈控制器构成，用于实现前馈稳定控制。

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