CN103823363B - 一种高速旋转平台的视线稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电稳定跟踪平台技术领域，具体涉及一种高速旋转平台的视线稳定控制方法。其包括如下步骤：步骤一：建立坐标系，包括基座坐标系、外框坐标系、内框坐标系；步骤二：基于步骤一建立的坐标系，建立框架动力学关系；步骤三：基于步骤二建立的动力学关系，对高速旋转平台进行双稳定环串级控制。该方法将高速旋转平台的视线稳定方法分成旋转稳定和直接视线稳定两类控制回路，各回路采取独立的控制器设计，有效分离了高速旋转对视线稳定的影响，提高了视轴稳定精度，克服了现有光电稳定平台在高速旋转状态下稳定精度差的缺点，解决了光电平台，特别是凝视型红外导引头系统的高稳定度和高精度问题。

Description

一种高速旋转平台的视线稳定控制方法

技术领域

本发明属于光电稳定跟踪平台技术领域，具体涉及一种高速旋转平台的视线稳定控制方法。

背景技术

传统光电稳定平台一般采取直接稳定或捷联稳定方式，对于高速旋转的运动载体，受惯性器件性能的影响，测量量程和测量带宽均达不到稳定高速旋转平台的要求，传统稳定平台的控制方法不能有效隔离载体运动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速旋转平台的视线稳定控制方法，具体为一种旋转稳定+视线稳定的双稳定环方法，将高速旋转平台的视线稳定方法分成旋转稳定和直接视线稳定两类控制回路，各回路采取独立的控制器设计，有效分离了高速旋转对视线稳定的影响，提高了视轴稳定精度，克服了现有光电稳定平台在高速旋转状态下稳定精度差的缺点，解决了光电平台，特别是凝视型红外导引头系统的高稳定度和高精度问题。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种高速旋转平台的视线稳定控制方法，包括以下步骤：

所述高速旋转平台包括基座、滚转轴固定部分、滚转轴转动部分、滚转单轴速率陀螺、俯仰支架、俯仰轴固定部分、俯仰轴转动部分、俯仰双轴速率陀螺和俯仰包；其中基座处于高速旋转状态，基座与滚转轴固定部分通过机械固定连接，滚转单轴速率陀螺通过螺钉连接固定于滚转轴转动部分上，俯仰支架与俯仰轴固定部分通过机械固定连接，滚转轴转动部分与俯仰支架通过机械固定连接，俯仰轴转动部分与俯仰包通过机械固定连接，俯仰双轴速率陀螺通过螺钉连接固定于俯仰包中；

步骤一：建立坐标系，包括基座坐标系、外框坐标系、内框坐标系；

步骤二：基于步骤一建立的坐标系，建立框架动力学关系；

步骤三：基于步骤二建立的动力学关系，对高速旋转平台进行双稳定环串级控制。

所述步骤一建立的坐标系如下：Bx，By，Bz为基座坐标系，基座滚转运动表示为Bz轴，基座俯仰运动表示为By轴，基座偏航运动表示为Bx轴，Ox，Oy，Oz为外框坐标系，滚转轴转动部分滚转运动与Bz方向一致表示为Oz轴，滚转轴转动部分俯仰运动表示为Oy轴，滚转轴转动部分偏航运动表达为Ox轴，Ix，Iy，Iz为内框坐标系，俯仰包的视轴表示为Ix轴，俯仰包的俯仰轴运动表示为Iy轴，俯仰包的滚转运动表示为Iz轴；滚转单轴速率陀螺敏感Oz轴的惯性速度，俯仰双轴速率陀螺分别敏感Iy和Iz轴的惯性速度。

所述步骤二建立的框架动力学关系如下：

${\mathrm{\ω}}_{Iy}=\frac{G_{ry}\left(s\right)}{J_{Iy}}\[T_{Uly}+T_{I,fric}+K_{If}(c_{\mathrm{\η}}{\mathrm{\ω}}_{By}-s_{\mathrm{\η}}{\mathrm{\ω}}_{Bx})-{\mathrm{\ω}}_{Iz}\frac{({\mathrm{\ω}}_{Ox}-s_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ω}}_{Iz})}{c_{\mathrm{\ϵ}}}\·\frac{(J_{Ix}-J_{Iz})}{J_{Iy}}\]-\frac{G_{ny}\left(s\right)}{J_{Iy}}{\mathrm{\ω}}_{Iy,noise}---\left(8\right)$

${\mathrm{\ω}}_{Iz}=\frac{G_{rz}\left(s\right)}{J_S}\[T_{UOz}+T_{O,fric}+T_{ODbase}-g_y\left(t\right){\mathrm{\ω}}_{Ox}{\mathrm{\ω}}_{Iy}-g_{yz}\left(t\right){\mathrm{\ω}}_{Iy}{\mathrm{\ω}}_{Iz}\]-\frac{G_{nz}\left(s\right)}{J_S}{\mathrm{\ω}}_{Iz,noise}---\left(9\right)$

其中：ω_Iym，ω_Izm为Iy轴和Iz轴的测量角速度；

ω_Iy＝ω_Iy,noise+ω_Iymω_Iz＝ω_Iz,noise+ω_Izm

$G_{ry}\left(s\right)=\frac{s}{s^2+2{\mathrm{\πf}}_{ry}s+{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2{f}_{ry}{f}_{ly}}$

$G_{ny}\left(s\right)=\frac{K_{Py}s+K_{Iy}}{s^2+2{\mathrm{\πf}}_{ry}s+{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2{f}_{ry}{f}_{ly}}$

$G_{rz}\left(s\right)=\frac{s}{s^2+2{\mathrm{\πf}}_{rz}s+{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2{f}_{rz}{f}_{lz}}$

$G_{nz}\left(s\right)=\frac{K_{Pz}s+K_{Iz}}{s^2+2{\mathrm{\πf}}_{rz}s+{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2{f}_{rz}{f}_{lz}}$

f_ry，f_ly分别为俯仰轴速率伺服闭环控制带宽频率和开环截止频率；

f_rz，f_lz分别为滚转轴速率伺服闭环控制带宽频率和开环截止频率；

K_Py，K_Pz为比例系数；K_Iy，K_Iz为积分系数；

J_Ix，J_Iy，J_Iz分别为内框坐标系Ix，Iy，Iz轴的转动惯量；

T_Uly为Iy轴不平衡力矩；

T_I,fric为内框非线性摩擦力矩；

K_If为内框摩擦系数；

c_η＝cos(η(t))s_η＝sin(η(t))η(t)是外框相对于基座的方位角，且是时间变量t的函数；c_ε＝cos(ε(t))；s_ε＝sin(ε(t))ε(t)是内框相对于外框的俯仰角，且是时间变量t的函数；

ω_Iy，ω_Iz，ω_Ox，ω_Oy，ω_Bx，ω_By，ω_Bz分别为Iy轴，Iz轴，Ox轴，Oy轴，Bx轴，By轴，Bz轴的角速度，都是时间变量t的函数；

J_Ox，J_Oy，J_Oz分别为外框坐标系Ox，Oy，Oz轴的转动惯量

K_If为内框摩擦系数

T_el为内框控制力矩

T_Uly为Iy轴不平衡力矩

T_I,fric为内框非线性摩擦力矩

K_Of为外框摩擦系数

T_az为外框控制力矩

T_UOz为Oz轴不平衡力矩

T_O,fric为外框非线性摩擦力矩

$J_S=J_{Oz}+c_{\mathrm{\ϵ}}^2{J}_{Iz}+s_{\mathrm{\ϵ}}^2{J}_{Ix}$

$\begin{array}{c}{T}_{ODbase}=s_{\mathrm{\ϵ}}(J_{Oz}+J_{Ix})({\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{Bx}{c}_{\mathrm{\η}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{By}{s}_{\mathrm{\η}}+{\mathrm{\ω}}_{Oy}{\mathrm{\ω}}_{Ox}tan\mathrm{\ϵ}+{\mathrm{\ω}}_{Oy}{\mathrm{\ω}}_{Bz})+K_{Of}(s_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ω}}_{Ox}+c_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ω}}_{Bz})\\ -\[\frac{1}{c_{\mathrm{\ϵ}}}(J_{Oz}+s_{\mathrm{\ϵ}}^2{J}_{Ix})+c_{\mathrm{\ϵ}}(J_{Oy}-J_{Ox})\]{\mathrm{\ω}}_{Ox}{\mathrm{\ω}}_{Oy}\end{array}.$

所述步骤三对高速旋转平台进行双稳定环串级控制方法具体为：给定信号ω_r和反馈信号ω_Iz的信号差是外稳定环控制器W₁(s)的输入，kg1为ω_Iz的反馈比例系数，由控制器W₁(s)负责除滚转ω_Bz干扰以外的干扰的控制，由反馈信号ω_Bz经比例变换k_g2输入内稳定环控制器W₂(s)，控制器W₂(s)负责抑制滚转ω_Bz干扰，控制器W₁(s)和W₂(s)的输出进入功率放大环节k_i变为控制力矩输出给控制对象P(s)，最终完成双环稳定控制。

本发明所取得的有益效果为：

本发明所述高速旋转平台的视线稳定控制方法采取了滚-仰式框架结构，采取了滚转单轴速率陀螺和俯仰双轴速率陀螺，并提出了双稳定环串级控制方法，该方法通过将滚转稳定和直接视线稳定分散控制，克服了单速度环无法同时有效克服滚转快速干扰和其他慢速运动干扰的缺点，对两个回路分别设计控制器，达到提高视轴稳定性的要求：

(1)采取滚转-俯仰双框架结构，其中滚转平台安装有单轴速率陀螺，敏感滚转的惯性速率，俯仰平台安装有双轴速率陀螺，分别敏感与视轴正交轴的惯性速率，由于将单轴速率陀螺置于高速平台上采取稳定控制，速率陀螺的测量量程则可以较小，不受旋转速度的影响，因此可以解决高速旋转平台受惯性器件限制的问题；

(2)建立高速旋转稳定平台的运动学和动力学方程，给出了视轴干扰力矩的解析数学表达式，进而为稳定控制控制方法提供了理论基础；

(3)根据基座姿态扰动的特点，提出双稳定环串级控制方法，将高速旋转引起的视轴扰动与其他干扰分散控制，针对滚转轴干扰力矩动态特性高的特点，对高速旋转干扰采取快回路设计，其他干扰采取慢回路设计，提高了视轴稳定的隔离度。

附图说明

图1为滚转-俯仰稳定平台示意图；

图2为高速旋转稳定平台的双稳定环串级控制数学模型图；

图中：1、基座；2、滚转轴固定部分；3、滚转轴转动部分；4、滚转单轴速率陀螺；5、俯仰支架；6、俯仰轴固定部分；7、俯仰轴转动部分；8、俯仰双轴速率陀螺；9、俯仰包；10、基座偏航运动；11、基座俯仰运动；12、基座滚转运动；13、滚转轴转动部分偏航运动；14、滚转轴转动部分俯仰运动；15、滚转轴转动部分滚转运动；16、俯仰包的视轴；17、俯仰包的俯仰轴运动；18、俯仰包的滚转运动。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明所述高速旋转平台的视线稳定控制方法包括以下步骤：

本发明所述高速旋转平台包括基座1、滚转轴固定部分2、滚转轴转动部分3、滚转单轴速率陀螺4、俯仰支架5、俯仰轴固定部分6、俯仰轴转动部分7、俯仰双轴速率陀螺8和俯仰包9；其中基座1处于高速旋转状态、基座1与滚转轴固定部分2通过机械固定连接，滚转单轴速率陀螺4通过螺钉连接固定于滚转轴转动部分3上，俯仰支架5与俯仰轴固定部分6通过机械固定连接，滚转轴转动部分3与俯仰支架5通过机械固定连接，俯仰轴转动部分7与俯仰包9通过机械固定连接，俯仰双轴速率陀螺8通过螺钉连接固定于俯仰包9中；

步骤一：建立如图1所示的坐标系，其中Bx，By，Bz为基座坐标系，基座1滚转运动12表示为Bz轴，基座1俯仰运动11表示为By轴，基座1偏航运动10表示为Bx轴，Ox，Oy，Oz为外框坐标系，滚转轴转动部分3滚转运动15与Bz方向一致表示为Oz轴，滚转轴转动部分3俯仰运动14表示为Oy轴，滚转轴转动部分3偏航运动13表达为Ox轴，Ix，Iy，Iz为内框坐标系，俯仰包9的视轴16表示为Ix轴，俯仰包9的俯仰轴运动17表示为Iy轴，俯仰包9的滚转运动18表示为Iz轴。滚转单轴速率陀螺4敏感Oz轴的惯性速度，俯仰双轴速率陀螺8分别敏感Iy和Iz轴的惯性速度。

步骤二：基于步骤一建立的坐标系，建立框架运动学关系如下：

基座坐标系和外框坐标系的坐标变换如下：

c_η＝cos(η(t))；s_η＝sin(η(t))

η(t)是外框相对于基座的方位角，且是时间变量t的函数。

基座坐标系的速率和外框坐标系的速率的关系如下：

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_O\left(t\right)=T_{\mathrm{\η}}\left(t\right){\widehat{\mathrm{\ω}}}_B\left(t\right)+\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中：(式中ω_Oz(t)为Oz轴角速度，ω_Bz(t)为Bz轴角速度)

外框坐标系和内框坐标系的坐标变换如下：

c_ε＝cos(ε(t))；s_ε＝sin(ε(t))

ε(t)是内框相对于外框的俯仰角，且是时间变量t的函数。

外框坐标系的速率和内框坐标系的速率的关系如下：

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_I\left(t\right)=T_{\mathrm{\ϵ}}\left(t\right){\widehat{\mathrm{\ω}}}_O\left(t\right)+\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}\left(t\right)---\left(2\right)$

其中：

式中ω_Iy(t)为Iy轴角速度，ω_Oy(t)为Oy轴角速度；

内框坐标系与外框坐标系的角加速度关系如下：

${\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}}_I\left(t\right)=T_{\mathrm{\ϵ}}\left(t\right){\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}}_O\left(t\right)+T_{\mathrm{\ϵ}}^{\′}\left(t\right){\widehat{\mathrm{\ω}}}_O\left(t\right)\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}\left(t\right)+\widehat{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ϵ}}}\left(t\right)---\left(3\right)$

其中：

如图1坐标系所示，建立框架动力学关系如下：

Iy轴动力学方程如下：

$\begin{array}{c}{J}_{Iy}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{Iy}+K_{If}{\mathrm{\ω}}_{Iy}+{\mathrm{\ω}}_{Iz}\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{Ox}-s_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ω}}_{Iz}}{c_{\mathrm{\ϵ}}}\right)(J_{Ix}-J_{Iz})\\ =T_{el}-T_{Uly}-T_{I,fric}+K_{If}(c_{\mathrm{\η}}{\mathrm{\ω}}_{By}-s_{\mathrm{\η}}{\mathrm{\ω}}_{Bx})\end{array}---\left(4\right)$

Iz轴动力学方程如下：

$\begin{array}{c}{J}_S{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{Iz}+K_{Of}{\mathrm{\ω}}_{Iz}+g_y\left(t\right){\mathrm{\ω}}_{Iy}{\mathrm{\ω}}_{Ox}+g_{yz}\left(t\right){\mathrm{\ω}}_{Iy}{\mathrm{\ω}}_{Iz}=\\ T_{ODbase}+c_{\mathrm{\ϵ}}\·\[T_{ac}-T_{UOz}-T_{O,fric}\]\end{array}---\left(5\right)$

其中：

J_Ix，J_Iy，J_Iz分别为内框坐标系Ix，Iy，Iz轴的转动惯量

J_Ox，J_Oy，J_Oz分别为外框坐标系Ox，Oy，Oz轴的转动惯量

ω_Iy，ω_Iz，ω_Ox，ω_Oy，ω_Bx，ω_By，ω_Bz分别为Iy轴，Iz轴，Ox轴，Oy轴，Bx轴，By轴，Bz轴的角速度，都是时间变量t的函数

K_If为内框摩擦系数

T_el为内框控制力矩

T_Uly为Iy轴不平衡力矩

T_I,fric为内框非线性摩擦力矩

K_Of为外框摩擦系数

T_az为外框控制力矩

T_UOz为Oz轴不平衡力矩

T_O,fric为外框非线性摩擦力矩

$J_S=J_{Oz}+c_{\mathrm{\ϵ}}^2{J}_{Iz}+s_{\mathrm{\ϵ}}^2{J}_{Ix}$

$\begin{array}{c}{T}_{ODbase}=s_{\mathrm{\ϵ}}(J_{Oz}+J_{Ix})({\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{Bx}{c}_{\mathrm{\η}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{By}{s}_{\mathrm{\η}}+{\mathrm{\ω}}_{Oy}{\mathrm{\ω}}_{Ox}tan\mathrm{\ϵ}+{\mathrm{\ω}}_{Oy}{\mathrm{\ω}}_{Bz})+K_{Of}(s_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ω}}_{Ox}+c_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ω}}_{Bz})\\ -\[\frac{1}{c_{\mathrm{\ϵ}}}(J_{Oz}+s_{\mathrm{\ϵ}}^2{J}_{Ix})+c_{\mathrm{\ϵ}}(J_{Oy}-J_{Ox})\]{\mathrm{\ω}}_{Ox}{\mathrm{\ω}}_{Oy}\end{array}$

$g_y\left(t\right)=c_{\mathrm{\ϵ}}(J_{Iy}-J_{Ix})-\frac{1}{c_{\mathrm{\ϵ}}}(J_{Oz}+s_{\mathrm{\ϵ}}^2{J}_{Ix})$

g_yz(t)＝(J_Oz+J_Ix)tanε-c_εs_ε(J_Iz-J_Ix)

假设速度控制环节为PI控制，则有：

$T_{el}=-(K_{Py}{\mathrm{\ω}}_{Iym}+K_{Iy}{\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_{Iym}\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ})---\left(6\right)$

$T_{az}=-(K_{Pz}{\mathrm{\ω}}_{Izm}+K_{Iz}{\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_{Izm}\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ})---\left(7\right)$

其中：

ω_Iym，ω_Izm为Iy轴和Iz轴的测量角速度

K_Py，K_Pz为比例系数

K_Iy，K_Iz为积分系数

将式(6)和(7)分别代入式(4)和(5)，则有：

${\mathrm{\ω}}_{Iy}=\frac{G_{ry}\left(s\right)}{J_{Iy}}\[T_{Uly}+T_{I,fric}+K_{If}(c_{\mathrm{\η}}{\mathrm{\ω}}_{By}-s_{\mathrm{\η}}{\mathrm{\ω}}_{Bx})-{\mathrm{\ω}}_{Iz}\frac{({\mathrm{\ω}}_{Ox}-s_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ω}}_{Iz})}{c_{\mathrm{\ϵ}}}\·\frac{(J_{Ix}-J_{Iz})}{J_{Iy}}\]-\frac{G_{ny}\left(s\right)}{J_{Iy}}{\mathrm{\ω}}_{Iy,noise}---\left(8\right)$

${\mathrm{\ω}}_{Iz}=\frac{G_{rz}\left(s\right)}{J_S}\[T_{UOz}+T_{O,fric}+T_{ODbase}-g_y\left(t\right){\mathrm{\ω}}_{Ox}{\mathrm{\ω}}_{Iy}-g_{yz}\left(t\right){\mathrm{\ω}}_{Iy}{\mathrm{\ω}}_{Iz}\]-\frac{G_{nz}\left(s\right)}{J_S}{\mathrm{\ω}}_{Iz,noise}---\left(9\right)$

其中：

ω_Iy＝ω_Iy,noise+ω_Iymω_Iz＝ω_Iz,noise+ω_Izm

$G_{ry}\left(s\right)=\frac{s}{s^2+2{\mathrm{\πf}}_{ry}s+{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2{f}_{ry}{f}_{ly}}$

$G_{ny}\left(s\right)=\frac{K_{Py}s+K_{Iy}}{s^2+2{\mathrm{\πf}}_{ry}s+{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2{f}_{ry}{f}_{ly}}$

$G_{rz}\left(s\right)=\frac{s}{s^2+2{\mathrm{\πf}}_{rz}s+{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2{f}_{rz}{f}_{lz}}$

$G_{nz}\left(s\right)=\frac{K_{Pz}s+K_{Iz}}{s^2+2{\mathrm{\πf}}_{rz}s+{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2{f}_{rz}{f}_{lz}}$

f_ry，f_ly分别为俯仰轴速率伺服闭环控制带宽频率和开环截止频率

f_rz，f_lz分别为滚转轴速率伺服闭环控制带宽频率和开环截止频率

框架动力学模型可以根据刚体定点运动欧拉动力学原理得出，内外框角动力学关系如下：

${\stackrel{\‾}{J}}_I{\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}}_I\left(t\right)+\left({\widehat{\mathrm{\ω}}}_I\right(t)\×{\stackrel{\‾}{J}}_I{\widehat{\mathrm{\ω}}}_I(t\left)\right)={\hat{L}}_I\left(t\right)---\left(10\right)$

其中：

为内框架坐标系转动惯量矩阵

为内框架坐标系力矩矩阵

为简化分析，认为转轴与惯量主轴一致，则转动惯量阵为对角阵。则有：

$T_{Ix}=J_{Ix}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{Ix}+{\mathrm{\ω}}_{Iy}{\mathrm{\ω}}_{Iz}(J_{Iz}-J_{Iy})+T_{Ulx}---\left(11\right)$

$J_{Iy}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{Iy}=-{\mathrm{\ω}}_{Iz}{\mathrm{\ω}}_{Ix}(J_{Iz}-J_{Iz})+T_{el}-T_{Uly}-K_{If}\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}-T_{I,fric}---\left(12\right)$

$T_{Iz}=J_{Iz}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{Iz}+{\mathrm{\ω}}_{Ix}{\mathrm{\ω}}_{Iy}(J_{Iy}-J_{Iz})+T_{UIz}---\left(13\right)$

其中：

T_Ix为Ix轴作用力矩

T_Ulx为Ix轴不平衡力矩

T_Iz为Iz轴作用力矩

T_UIz为Iz轴不平衡力矩

外框反作用力矩可以由式(11)～(13)得出，其中式(12)是内框俯仰轴的动力学方程。该动力学方程的输入量为基座的角速度和角加速度，控制变量为ω_Iy和ω_Iz。将式(1)代入式(2)再代入式(12)，Iy轴动力学方程可表达为式(4)，通过类似的方式，可以给出Iz轴的动力学方程为式(5)。

由式(8)和(9)可以得出通过传统的单环稳定控制方法，视轴扰动ω_Iy不受高速滚转轴ω_Bz干扰影响，但是ω_Iz却同时受基座3个正交轴的干扰。由于基座3轴动态特性不一致，特别是ω_Bz的高动态特性，使得通过单环稳定控制不能达到良好的抑制效果。

步骤三：如图2所示，通过上述分析提出了一种双稳定环串级控制方法：其中给定信号ω_r和反馈信号ω_Iz的信号差是外稳定环控制器W₁(s)的输入，图中kg1为ω_Iz的反馈比例系数，由控制器W₁(s)负责除滚转ω_Bz干扰以外的干扰的控制，由反馈信号ω_Bz经比例变换k_g2输入内稳定环控制器W₂(s)，控制器W₂(s)负责抑制滚转ω_Bz干扰，控制器W₁(s)和W₂(s)的输出进入功率放大环节k_i变为控制力矩输出给符合动力学模型式(4)和(5)的控制对象P(s)，最终完成双环稳定控制。由图2可知，输出角速度ω_l的拉式变化为：

${\mathrm{\ω}}_{Iz}=\frac{P\left(s\right)u_d+\[1+k_{g2}{k}_i{W}_2\left(s\right)\]{\mathrm{\ω}}_b+k_i{W}_1\left(s\right)W_2\left(s\right)P\left(s\right){\mathrm{\ω}}_r}{1+k_i{W}_2\left(s\right)P\left(s\right)\[k_{g1}+k_{g2}{W}_1\left(s\right)\]}---\left(14\right)$

当|k_iW₂(s)P(s)[k_g1+k_g2W₁(s)]|＞＞1时，

式(14)可简化为：

${\mathrm{\ω}}_{Iz}=\frac{u_d}{k_i{W}_2\left(s\right)P\left(s\right)\[k_{g1}+k_{g2}{W}_1\left(s\right)\]}+\frac{k_{g2}{\mathrm{\ω}}_b}{k_{g1}+k_{g2}{W}_1\left(s\right)}+\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{k_{g1}}---\left(15\right)$

由式(14)可知，滚转扰动u_d的抑制主要由W₂(s)实现，W₁起辅助调节的作用，对于ω_b的隔离性能仅由W₁决定，这就将高动态性的滚转扰动和低动态性的其他扰动分散处理。比单回路控制有明显的改善。

如图2所示，对于一个给定r和干扰d作用下输出为y的系统，其抗干扰能力可以用信噪比来衡量，若分子越接近于常值，分母越趋于零，则表示其抗干扰性能越强。双稳定环信噪比分别为：

A_2d＝k_iW₁(s)W₂(s) (16)

$A_{2b}=\frac{k_i{W}_1\left(s\right)W_2\left(s\right)P\left(s\right)}{1+k_{g1}{k}_i{W}_2\left(s\right)P\left(s\right)}---\left(17\right)$

同理，单稳定环信噪比分别为：

A_1d＝k_iW₁(s) (18)

A_1b＝k_iW₁(s)P(s) (19)

不失一般性，当控制器采取比例控制时，式(16)远大于式(18)，式(17)与式(19)相当，所以双稳定环相对于单稳定环具有更强的抑制能力。由于双稳定环将滚转扰动ω_Bz作为内环干扰极大的抑制，因此总体来说，双稳定环控制比单稳定环控制使基座的扰动起到更好的抑制作用。

Claims (4)

1.一种高速旋转平台的视线稳定控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

所述高速旋转平台包括基座(1)、滚转轴固定部分(2)、滚转轴转动部分(3)、滚转单轴速率陀螺(4)、俯仰支架(5)、俯仰轴固定部分(6)、俯仰轴转动部分(7)、俯仰双轴速率陀螺(8)和俯仰包(9)；其中基座(1)处于高速旋转状态，基座(1)与滚转轴固定部分(2)通过机械固定连接，滚转单轴速率陀螺(4)通过螺钉连接固定于滚转轴转动部分(3)上，俯仰支架(5)与俯仰轴固定部分(6)通过机械固定连接，滚转轴转动部分(3)与俯仰支架(5)通过机械固定连接，俯仰轴转动部分(7)与俯仰包(9)通过机械固定连接，俯仰双轴速率陀螺(8)通过螺钉连接固定于俯仰包(9)中；

步骤一：建立坐标系，包括基座坐标系、外框坐标系、内框坐标系；

步骤二：基于步骤一建立的坐标系，建立框架动力学关系；

步骤三：基于步骤二建立的动力学关系，对高速旋转平台进行双稳定环串级控制；

所述步骤一建立的坐标系如下：Bx，By，Bz为基座坐标系，基座(1)滚转运动(12)表示为Bz轴，基座(1)俯仰运动(11)表示为By轴，基座(1)偏航运动(10)表示为Bx轴，Ox，Oy，Oz为外框坐标系，滚转轴转动部分(3)滚转运动(15)与Bz方向一致表示为Oz轴，滚转轴转动部分(3)俯仰运动(14)表示为Oy轴，滚转轴转动部分(3)偏航运动(13)表达为Ox轴，Ix，Iy，Iz为内框坐标系，俯仰包(9)的视轴(16)表示为Ix轴，俯仰包(9)的俯仰轴运动(17)表示为Iy轴，俯仰包(9)的滚转运动(18)表示为Iz轴。

2.根据权利要求1所述的高速旋转平台的视线稳定控制方法，其特征在于：滚转单轴速率陀螺(4)敏感Oz轴的惯性速度，俯仰双轴速率陀螺(8)分别敏 感Iy和Iz轴的惯性速度。

3.根据权利要求2所述的高速旋转平台的视线稳定控制方法，其特征在于：所述步骤二建立的框架动力学关系如下：

其中：ω_Iym，ω_Izm为Iy轴和Iz轴的测量角速度；

ω_Iy＝ω_Iy,noise+ω_Iym，ω_Iz＝ω_Iz,noise+ω_Izm

f_ry，f_ly分别为俯仰轴速率伺服闭环控制带宽频率和开环截止频率；

f_rz，f_lz分别为滚转轴速率伺服闭环控制带宽频率和开环截止频率；

K_Py，K_Pz为比例系数；K_Iy，K_Iz为积分系数；

J_Ix，J_Iy，J_Iz分别为内框坐标系Ix，Iy，Iz轴的转动惯量；

T_Uly为Iy轴不平衡力矩；

T_I,fric为内框非线性摩擦力矩；

K_If为内框摩擦系数；

c_η＝cos(η(t))，s_η＝sin(η(t))，η(t)是外框相对于基座的方位角，且是时间变量t的函数；c_ε＝cos(ε(t))；s_ε＝sin(ε(t))，ε(t)是内框相对于外框的俯仰角，且是时间变量t的函数；

ω_Iy，ω_Iz，ω_Ox，ω_Oy，ω_Bx，ω_By，ω_Bz分别为Iy轴，Iz轴，Ox轴，Oy轴，Bx轴，By轴，Bz轴的角速度，都是时间变量t的函数；

J_Ox，J_Oy，J_Oz分别为外框坐标系Ox，Oy，Oz轴的转动惯量

K_If为内框摩擦系数

T_el为内框控制力矩

T_Uly为Iy轴不平衡力矩

T_I,fric为内框非线性摩擦力矩

K_Of为外框摩擦系数

T_az为外框控制力矩

T_UOz为Oz轴不平衡力矩

T_O,fric为外框非线性摩擦力矩

4.根据权利要求3所述的高速旋转平台的视线稳定控制方法，其特征在于：所述步骤三对高速旋转平台进行双稳定环串级控制方法具体为：给定信号ω_r和反馈信号ω_Iz的信号差是外稳定环控制器W₁(s)的输入，kg1为ω_Iz的反馈比例系数，由控制器W₁(s)负责除滚转ω_Bz干扰以外的干扰的控制，由反馈信号ω_Bz经比例变换k_g2输入内稳定环控制器W₂(s)，控制器W₂(s)负责抑制滚转ω_Bz干扰，控制器W₁(s)和W₂(s)的输出进入功率放大环节k_i变为控制力矩输出给控制对象P(s)，最终完成双环稳定控制。