CN103412484B - 一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法 - Google Patents
一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103412484B CN103412484B CN201310303492.7A CN201310303492A CN103412484B CN 103412484 B CN103412484 B CN 103412484B CN 201310303492 A CN201310303492 A CN 201310303492A CN 103412484 B CN103412484 B CN 103412484B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- moment
- control
- moment gyro
- framework
- drive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
本发明公开了一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法。扰动力矩是影响控制力矩陀螺框架系统控制精度的一个主要因素,现有技术对大幅的低频扰动力矩抑制能力不足,对高频扰动抑制能力明显不足,成为了制约框架控制精度继续提升的一个关键问题。本发明采用鲁棒控制、角加速度干扰观测和重复控制实现对陀螺力矩等因素引入的非线性低频干扰力矩的有效抑制,尤其是对转子不平衡振动引入的高频扰动力矩均具有很强的抑制能力,该方法相比现有技术可以进一步提高控制力矩陀螺框架控制性能。
Description
技术领域
本发明涉及力矩抑制方法,尤其涉及一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法,适用于各类控制力矩陀螺产品,属于控制工程技术领域。
背景技术
控制力矩陀螺是航天器的惯性执行部件之一,主要应用于大型航天器的姿态控制以及中小型航天器的快速机动,具有广阔的发展前景。随着航天技术的发展,作为姿控系统的关键执行部件,控制力矩陀螺框架转速的控制精度直接影响着控制力矩陀螺整机的输出力矩精度,是控制力矩陀螺最关键的指标之一。高性能的鲁棒控制器是每个控制系统所追求的目标,同样,控制算法的鲁棒性是影响框架伺服系统转速控制性能的最主要的一个主要因素。框架伺服系统在力学、热等条件变化时,系统参数会发生变化,另外框架伺服系统受到的扰动力矩成分复杂,波动幅度大,这些因素都需要框架控制策略具有较强的鲁棒性。因此,控制力矩陀螺框架伺服系统鲁棒控制策略一直是研究的热点和难点。现有方法虽然提高了框架伺服系统的性能,但是对参数变化的适应性及对扰动力矩波动的抑制效果还有待提高,对高频扰动力矩波动的抑制能力则明显不足。扰动力矩性的非线性也是影响框架伺服系统转速控制性能的另一个主要因素。框架伺服系统受到的扰动力矩波动幅度大,成分复杂。目前对控制力矩陀螺框架伺服系统高频扰动力矩抑制方法的研究较少,未见有效的高频扰动力矩抑制方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法,提高了对低频和高频扰动力矩和抑制能力。
本发明的技术解决方案是:一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法,包括鲁棒控制步骤、角加速度干扰观测步骤和重复控制步骤;
所述鲁棒控制步骤如下:
(1)位置控制器根据设定转速计算出力矩陀螺框架的位置信息,并将计算出的位置信息与角位置传感器测量得到的力矩陀螺框架实际位置信息进行差分,从而根据差分得到的位置偏差计算出终端滑模转速控制器的转速设定信号;
(2)终端滑模转速控制器根据位置控制器输出的转速设定信号、角加速度干扰观测步骤输出的转速信号、扰动力矩和驱动电机反馈的电流计算出电压信号,电压信号的计算方法为:
(a)首先计算出变量x1、x2,
(b)根据变量x1、x2计算出终端滑模转速控制器的切换平面s,
(c)利用变量x1、x2和终端滑模转速控制器的切换平面s计算出电压信号u;
其中,ωset为转速设定信号,ω为角加速度干扰观测步骤输出的转速信号,J为电机转动惯量,Tf为角加速度干扰观测步骤输出的扰动力矩,ke为电机力矩系数,kv为电机反电势系数,i为驱动电机反馈的电流,r为电机两相电阻,c为切换平面s的调节系数,p、q(p<q)是正的奇数,k,δ为切换平面对输出电压的控制系数,k>0,δ>0,sign(s)为s的符号函数;
角加速度干扰观测步骤:卡尔曼滤波器对角位置传感器输出的力矩陀螺框架实际位置信息进行滤波处理得到力矩陀螺框架的转速信号,转速信号经过非线性微分器处理后得到力矩陀螺框架的角加速度,扰动观测器根据力矩陀螺框架的角加速度和驱动电机反馈的电流计算出力矩陀螺框架的扰动力矩,计算公式为:Tf=ke·i-J·α,其中,α为角加速度,ke为电机力矩系数,i为驱动电机反馈的电流,J为电机转动惯量;
重复控制步骤为:
(1)高通滤波器对角位置传感器测量得到的力矩陀螺框架实际位置信息进行高通滤波滤除低频信号;
(2)高通滤波后的力矩陀螺框架实际位置信息经过由延时环节和低通滤波环节组成的正反馈重复运算器进行正反馈重复运算后送入前置调节器进行调节;
(3)调节结果与鲁棒控制步骤输出的电压信号进行差分得到驱动电路的控制电压,驱动电路在控制电压的控制下驱动力矩陀螺框架运行。
本发明与现有技术相比的优点:扰动力矩是影响控制力矩陀螺框架系统控制精度的一个主要因素,现有技术对大幅的低频扰动力矩抑制能力不足,对高频扰动抑制能力明显不足,成为了制约框架控制精度继续提升的一个关键问题。本发明采用鲁棒控制、角加速度干扰观测和重复控制实现对陀螺力矩等因素引入的非线性低频干扰力矩的有效抑制,尤其是对转子不平衡振动引入的高频扰动力矩均具有很强的抑制能力,该方法相比现有技术可以进一步提高控制力矩陀螺框架控制性能。
附图说明
图1为本发明扰动力矩抑制原理图;
图2为重复控制器的实现原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示,本发明的抑制方法包括鲁棒控制步骤、角加速度干扰观测步骤和重复控制步骤;
鲁棒控制步骤如下:
(1)位置控制器根据设定转速计算出力矩陀螺框架的位置信息,并将计算出的位置信息与角位置传感器测量得到的力矩陀螺框架实际位置信息进行差分,从而根据差分得到的位置偏差计算出终端滑模转速控制器的转速设定信号;位置控制器传递函数为:Gp(s)=kp_p+kd_p·s
(2)终端滑模转速控制器根据位置控制器输出的转速设定信号、角加速度干扰观测步骤输出的转速信号、扰动力矩和驱动电机反馈的电流计算出电压信号,电压信号的计算方法为:
(a)首先计算出变量x1、x2,
(b)根据变量x1、x2计算出终端滑模转速控制器的切换平面s,
(c)利用变量x1、x2和终端滑模转速控制器的切换平面s计算出电压信号u;
其中,ωset为转速设定信号,ω为角加速度干扰观测步骤输出的转速信号,J为电机转动惯量,Tf为角加速度干扰观测步骤输出的扰动力矩,ke为电机力矩系数,kv为电机反电势系数,i为驱动电机反馈的电流,r为电机两相电阻,c为切换平面s的调节系数,p、q(p<q)是正的奇数,k,δ为切换平面对输出电压的控制系数,k>0,δ>0,sign(s)为s的符号函数;
例如:电机转动惯量J取0.001kgm2,电机力矩系数ke取0.56Nm/A,c取0.8,r和L分别为电机两相电阻和电感(r=3.0Ω,L=3mH),电机反电势系数,kv取0.56V/rpm,切换平面的调节系数c=1.0,p=3,q=5,k>0,k=0.5,δ>0,δ=2.0。
角加速度干扰观测步骤:卡尔曼滤波器对角位置传感器输出的力矩陀螺框架实际位置信息进行滤波处理得到力矩陀螺框架的转速信号,转速信号经过非线性微分器处理后得到力矩陀螺框架的角加速度,扰动观测器根据力矩陀螺框架的角加速度和驱动电机反馈的电流计算出力矩陀螺框架的扰动力矩,计算公式为:Tf=ke·i-J·α,其中,α为角加速度,ke为电机力矩系数,i为驱动电机反馈的电流,J为电机转动惯量;
重复控制步骤为:
(1)高通滤波器对角位置传感器测量得到的力矩陀螺框架实际位置信息进行高通滤波滤除低频信号;
(2)高通滤波后的力矩陀螺框架实际位置信息经过由延时环节和低通滤波环节组成的正反馈重复运算器进行正反馈重复运算后送入前置调节器进行调节;
(3)调节结果与鲁棒控制步骤输出的电压信号进行差分得到驱动电路的控制电压,驱动电路在控制电压的控制下驱动力矩陀螺框架运行。
如图2所示,重复控制器的具体实现下:
(1)对由角位置传感器得到的位置信号进行高通滤波或带通滤波,得到位置信号中与转子不平衡振动相关的高频分量,滤除其他频率成分。转子不平衡振动频率100Hz。设计巴特沃兹滤波器的采样频率10kHz,截至频率80Hz,阶数为4,如下:
(2)将位置信号的高频分量送入由延时环节、低通滤波环节组成的正反馈重复运算器,得到重复控制输出。延时环节N=重复控制频率/高频扰动频率=10kHz/100Hz=100。
(3)将重复控制输出送入前置调节器,对重复控制的动态性能进行调节,前置调节器选择为比例调节器或比例积分调节器。选取比例调节器,取调节增益为1.5。
(4)调节结果与滑模控制器的输出相减,最终输出给驱动器驱动无刷直流电机驱动框架运行。
本说明书中的鲁棒控制器用于提高框架系统的控制鲁棒性,对低频扰动力矩具有较强的抑制作用;角加速度干扰观测器可观测得到框架转速信号、框架角加速度信号及干扰力矩,为鲁棒控制器提供反馈输入;重复控制器对从转速信号中提取出的高频分量进行重复运算,实现对高频扰动力矩的抑制功能。将鲁棒控制器、角角速度观测器和重复控制器相结合,可以实现控制力矩陀螺框架系统对高频、低频扰动力矩的抑制。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (1)
1.一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法,其特征在于包括鲁棒控制步骤、角加速度干扰观测步骤和重复控制步骤;
所述鲁棒控制步骤如下:
(1)位置控制器根据设定转速计算出力矩陀螺框架的位置信息,并将计算出的位置信息与角位置传感器测量得到的力矩陀螺框架实际位置信息进行差分,从而根据差分得到的位置偏差计算出终端滑模转速控制器的转速设定信号;
(2)终端滑模转速控制器根据位置控制器输出的转速设定信号、角加速度干扰观测步骤输出的转速信号、扰动力矩和驱动电机反馈的电流计算出电压信号,电压信号的计算方法为:
(a)首先计算出变量x1、x2,
(b)根据变量x1、x2计算出终端滑模转速控制器的切换平面s,
(c)利用变量x1、x2和终端滑模转速控制器的切换平面s得到电压信号u;
其中,ωset为转速设定信号,ω为角加速度干扰观测步骤输出的转速信号,J为驱动电机转动惯量,Tf为角加速度干扰观测步骤输出的扰动力矩,ke为驱动电机力矩系数,kv为驱动电机反电势系数,i为驱动电机反馈的电流,r为驱动电机两相电阻,c为切换平面s的调节系数,p、q是正的奇数,其中p<q;k,δ为切换平面对电压信号的控制系数,k>0,δ>0,sign(s)为s的符号函数;
角加速度干扰观测步骤:卡尔曼滤波器对角位置传感器输出的力矩陀螺框架实际位置信息进行滤波处理得到力矩陀螺框架的转速信号,转速信号经过非线性微分器处理后得到力矩陀螺框架的角加速度,扰动观测器根据力矩陀螺框架的角加速度和驱动电机反馈的电流计算出力矩陀螺框架的扰动力矩,计算公式为:Tf=ke·i-J·α,其中,α为角加速度,ke为驱动电机力矩系数,i为驱动电机反馈的电流,J为驱动电机转动惯量;
重复控制步骤为:
(1)高通滤波器对角位置传感器测量得到的力矩陀螺框架实际位置信息进行高通滤波滤除低频信号;
(2)高通滤波后的力矩陀螺框架实际位置信息经过由延时环节和低通滤波环节组成的正反馈重复运算器进行正反馈重复运算后送入前置调节器进行调节;
(3)调节结果与鲁棒控制步骤输出的电压信号进行差分得到驱动电路的控制电压,驱动电路在控制电压的控制下驱动力矩陀螺框架运行。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310303492.7A CN103412484B (zh) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | 一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310303492.7A CN103412484B (zh) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | 一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN103412484A CN103412484A (zh) | 2013-11-27 |
CN103412484B true CN103412484B (zh) | 2016-06-01 |
Family
ID=49605509
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201310303492.7A Active CN103412484B (zh) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | 一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN103412484B (zh) |
Families Citing this family (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103728882B (zh) * | 2014-01-07 | 2016-04-06 | 河海大学常州校区 | 微陀螺仪的自适应反演非奇异终端滑模控制方法 |
JP6399866B2 (ja) * | 2014-09-03 | 2018-10-03 | オークマ株式会社 | サーボ制御装置 |
CN104393798B (zh) * | 2014-12-10 | 2017-06-30 | 东南大学 | 一种基于积分滑模和扰动观测器的电动自行车控制方法 |
CN105786036B (zh) * | 2016-04-05 | 2018-08-31 | 北京控制工程研究所 | 一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制系统及方法 |
CN106208859B (zh) * | 2016-08-15 | 2020-04-28 | 湘潭大学 | 基于干扰观测器与重复控制器的永磁同步电机控制方法 |
CN107490447A (zh) * | 2017-09-01 | 2017-12-19 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 转动轴系扰动力矩均匀性测量装置 |
CN107992110B (zh) * | 2018-01-18 | 2020-09-08 | 北京航空航天大学 | 一种基于谐波减速器的磁悬浮控制力矩陀螺框架角速率伺服系统 |
CN108303881A (zh) * | 2018-01-19 | 2018-07-20 | 南通大学 | 带误差限定的微陀螺滑模控制方法 |
CN108319148B (zh) * | 2018-03-22 | 2019-02-26 | 北京航空航天大学 | 一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法 |
CN108762083B (zh) * | 2018-06-13 | 2021-04-02 | 长春萨米特光电科技有限公司 | 一种基于加速度观测器的自动控制系统 |
CN108873682B (zh) * | 2018-07-05 | 2021-05-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于改进的重复控制器的倾斜镜振动抑制方法 |
CN110018634B (zh) * | 2019-04-28 | 2021-11-16 | 北京控制工程研究所 | 一种提升控制力矩陀螺带宽的自适应框架控制系统及方法 |
CN110456630B (zh) * | 2019-08-22 | 2020-07-24 | 北京航空航天大学 | 一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法 |
CN110677079B (zh) * | 2019-09-04 | 2021-02-26 | 深圳市百盛传动有限公司 | 一种永磁同步电机速度控制模式扰动观测器 |
CN110672121B (zh) * | 2019-09-19 | 2020-11-20 | 北京控制工程研究所 | 一种控制力矩陀螺框架动态响应测试方法及系统 |
CN112152528B (zh) * | 2020-08-07 | 2022-11-18 | 苏州富斯源智能科技有限公司 | 一种基于自适应终端滑模的永磁同步电机调速控制方法 |
CN112904713B (zh) * | 2020-12-31 | 2022-07-19 | 同济大学 | 一种空间运动伺服机构的高精度强鲁棒控制方法 |
CN113847202B (zh) * | 2021-09-16 | 2023-06-06 | 国电投河南新能源有限公司 | 一种风电机组变桨稳转速控制系统及控制方法 |
CN113879566B (zh) * | 2021-10-19 | 2023-08-01 | 北京控制工程研究所 | 一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4062004A (en) * | 1976-03-02 | 1977-12-06 | United Technologies Corporation | Dual range, torque rebalancing of inertial sensor |
CN101763038A (zh) * | 2009-12-22 | 2010-06-30 | 北京航空航天大学 | 一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺结构模态振动控制方法 |
CN102620726A (zh) * | 2012-04-04 | 2012-08-01 | 西北工业大学 | 微机械陀螺的双闭环控制电路 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100559315C (zh) * | 2008-04-22 | 2009-11-11 | 北京航空航天大学 | 一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺控制系统 |
-
2013
- 2013-07-18 CN CN201310303492.7A patent/CN103412484B/zh active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4062004A (en) * | 1976-03-02 | 1977-12-06 | United Technologies Corporation | Dual range, torque rebalancing of inertial sensor |
CN101763038A (zh) * | 2009-12-22 | 2010-06-30 | 北京航空航天大学 | 一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺结构模态振动控制方法 |
CN102620726A (zh) * | 2012-04-04 | 2012-08-01 | 西北工业大学 | 微机械陀螺的双闭环控制电路 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
SGCMG框架伺服系统扰动力矩分析与控制;鲁明等;《中国空间科学技术》;20130225(第1期);第15-20、29页 * |
SGCMG框架伺服系统扰动力矩的分析与抑制;吴忠等;《航天控制》;19981230(第4期);第8-17页 * |
基于角加速度的陀螺框架伺服系统干扰观测器;徐向波等;《北京航空航天大学学报》;20090615;第35卷(第6期);第669-672页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN103412484A (zh) | 2013-11-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103412484B (zh) | 一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法 | |
CN104852661B (zh) | 基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法 | |
CN102931906B (zh) | 异步电机转子磁链观测与转速辨识的方法 | |
CN104639003B (zh) | 一种交流伺服系统的转动惯量辨识方法 | |
CN201910764U (zh) | 一种基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制系统 | |
CN108092567B (zh) | 一种永磁同步电动机转速控制系统及方法 | |
CN103997272B (zh) | 永磁同步电机的负载扰动补偿装置及方法 | |
CN106849799A (zh) | 一种无轴承异步电机转子磁链观测与转速辨识的方法 | |
CN107425769A (zh) | 一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法及系统 | |
CN103117703A (zh) | 一种永磁同步电机无传感器控制方法及其控制装置 | |
CN105871282A (zh) | 一种基于电机转动惯量的控制器pi参数整定方法 | |
CN102355193A (zh) | 交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置及辨识方法 | |
CN105763119A (zh) | 一种cmg框架永磁同步电机的控制系统及控制方法 | |
CN109067274A (zh) | 基于干扰补偿的永磁同步电机调速的积分滑模控制方法 | |
CN106026817A (zh) | 一种基于采用卡尔曼滤波器的滑模观测器的无速度传感器控制系统 | |
CN102904498A (zh) | 检测是否发生了不可逆减磁的控制装置 | |
CN109347391A (zh) | 一种考虑系统噪声的朗道自适应转动惯量辨识方法 | |
CN110336507A (zh) | 共振频率的检测、机械共振的抑制方法、装置及介质 | |
CN103414424A (zh) | 交流电机定子磁链估计方法 | |
CN107181438A (zh) | 基于改进型q‑mras的异步电机无速度传感器控制方法 | |
CN104205614A (zh) | 三相交流感应电机的控制装置以及三相交流感应电机的控制方法 | |
CN104779873A (zh) | 一种用于pmsm伺服系统的预测函数控制方法 | |
CN109768749A (zh) | 三相异步电机转子时间常数实时校正方法 | |
CN106655958A (zh) | 永磁电机转矩补偿方法及装置 | |
CN104539204A (zh) | 一种步进电机的干扰转矩测定方法及其低速振动抑制方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |