CN104281159A - 稳定平台的动态位置环控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳定平台的动态位置环控制方法，包括以下步骤：确定平台对惯性空间的第一位移变换量，及平台对基座的第二位移变化量；利用所述第一位移变换量和所述第二位移变化量确定所述平台对基座的第三位移变化量；根据所述第三位移变化量对平台的方位向和俯仰向进行调整。同时本发明还公开了一种稳定平台的动态位置环控制系统。采用本发明可以在较低实时性的要求下解决稳定精度较差的问题。

Description

稳定平台的动态位置环控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种稳定平台的动态位置环控制方法及系统。

背景技术

陀螺稳定平台是一种以陀螺为敏感器件，在外界不稳定干扰下能够使被稳对象相对惯性空间指向不变，或者按一定规律调节被稳对象的装置。随着测绘技术和卫星应急通讯的快速发展，陀螺稳定平台被广泛应用于光电吊舱和动中通等设备中，高精度、低成本已经成为陀螺稳定平台的发展趋势。

目前陀螺稳定平台的控制算法大多是通过陀螺获得外界干扰角速度，然后控制电机在相同时间内进行反向同速补偿，达到稳定效果。常用控制方法有单速度环控制和双速度环控制。

单速度环控制：即在整个控制回路中，利用陀螺敏感稳定平台相对于惯性空间的角速率。平台开启稳定的情况下，系统期望的陀螺角速率为零，系统反馈的角速率为外部干扰变化引起的角速率，上述两者的差值即为闭环系统需要补偿的角速率，进而根据该差值控制电机进行速率补偿达到稳定平台视轴稳定的目的。

双环稳定控制方法：采用以测速机为电机转速测量元件构成速度内环，利用陀螺的惯性空间测速功能组成速度外环的双环稳定控制方法。内环控制模型中包含了摩擦力矩扰动参数，使得内环控制器可以有效减少摩擦力矩、负载参数变化对系统的影响；外环中速率陀螺敏感框架相对于惯性空间的转速，使得外环控制器可以隔离载体扰动，实现视轴稳定。双环结构将速度稳定环的抗摩擦干扰功能和隔离载体干扰功能分开设计实现，而且速度内环比速度外环响应快，能及时克服外部干扰，保证系统响应的快速性。

但是，一方面，上述两种控制方法的稳定精度的保证必须建立在控制系统具有极高的采样频率和控制带宽的基础上，同时对硬件平台提出了较高的要求，不利于系统的实现，提高了系统设计的成本。

另一方面，上述方法仅建立在速度环基础之上，系统控制原理上存在无法避免的系统补偿误差，且随着平台使用时间的增长而不断累积，造成系统视轴偏差变大而无法纠正。并且，对于频率较高的外部干扰，上述方法的缺点将更加凸显。

还一方面，上述方法对于陀螺敏感的较低干扰速率的补偿需要电机具备较高的低速转动性能，同时对控制算法的精度提出了较高的要求，否则无法有效实现平台的精确稳定。

发明内容

有鉴于此，为克服上述至少一个缺点，并提供下述至少一种优点。

本发明公开了一种稳定平台的动态位置环控制方法及系统，可以在较低实时性的要求下解决稳定精度较差的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面公开了一种稳定平台的动态位置环控制方法，包括以下步骤：

确定平台对惯性空间的第一位移变换量，及平台对基座的第二位移变化量；

利用所述第一位移变换量和所述第二位移变化量确定所述平台对基座的第三位移变化量；

根据所述第三位移变化量对平台的方位向和俯仰向进行调整。

进一步的，所述第一位移变化量通过以下步骤获取：

获取扰动角速率；

利用所述扰动角速率确定所述第一位移变化量；

进一步的，所述第二位移变换量通过以下步骤获取：

获取当前位置值；

将所述当前位置值与前一位置的差值作为所述第二位移变化量。

进一步的，根据所述第三位移变化量对平台的方位向和俯仰向进行调整的步骤为：

确定当前未完成的补偿误差；

将所述补偿误差与所述第三位移变化量进行矢量累积；

根据所述矢量累积的结果利用PID算法对平台的方位向和俯仰向进行调整。

本发明另一方面公开了一种稳定平台的动态位置环控制系统，包括：

角速率陀螺，用于确定平台对惯性空间的第一位移变换量；

角度编码器，用于确定平台对基座的第二位移变化量；

变量控制器，用于根据所述第一位移变换量和所述第二位移变化量获得第三位移变化量；

平台控制器，用于根据所述第三位移变化量对所述平台的方位向和俯仰向进行调整。

进一步的，所述角速率陀螺用于获取扰动角速率，并根据所述扰动角速率的积分值确定所述第一位移变化量。

进一步的，所述角度编码其用于确定当前位置值，并根据所述当前位置值与前一位置值的差值确定所述第二位移变化量。

进一步的，所述变量控制器根据所述第一位移变化量和所述第二位移变化量的差值确定所述第三位移变化量。

进一步的，所述平台控制器将当前未完成的补偿误差和所述第三位移变化量进行矢量累积，根据所述矢量累积的结果利用PID算法对平台的方位向和俯仰向进行调整。

通过采用上述技术方案，本发明所达到的有益效果为：

现有技术方法多依靠单纯速度补偿实现平台的稳定，为了获得较高的稳定精度，需要控制系统具备较高的实时性，因此对系统控制带宽和采样频率提出了较高的要求，给硬件设计带来了难度。本发明实施例通过对陀螺角速率数据和电机速度的矢量计算获得当前周期的误差值，并进行长时间累积，在较低实时性能的控制系统中可以有效解决稳定精度较差的问题。

进一步的，本发明实施例引入了位置环控制，即将速度环无法弥补的误差映射于位置环，从而解决了上述问题，且降低了较高频率的外部扰动对平台稳定的影响，同时稳定精度不随时间变化。

本发明实施例可以将低速率干扰在位置环进行周期性积分累加，当累加值达到一定量值时，可以通过位置环反馈准确弥补该干扰。有效的解决了稳定平台对低速率扰动的补偿问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例动态位置环控制系统示意图；

图2为本发明实施例运动模拟图；

图3为本发明实施例方法流程图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1为本发明实施例动态位置环控制系统示意图。

参考图1，在本发明实施例的动态位置环控制系统中，包括位置控制器、速度控制器、电机驱动器、电机、负载以及角速率陀螺和角度编码器。其中，位置控制器、速度控制器、电机驱动器、电机、负载构成对平台的控制部分，角度率陀螺和角度编码器构成反馈部分。

在控制部分中，位置控制器用于对第一和第二位移变化量进行矢量计算，获得第三位移变化量，形成位置外环。速度控制器用于比较目标角速率和实际角速率的值，形成速率内环。电机驱动器用于对电机进行驱动，从而使电机带动负载进行工作。然后，由于不可抗拒的因素，在电机和负载工作过程中，会分别引入摩擦扰动和平台扰动。并且，由于平台设备中自身工作带来的影响，因此，需要对平台进行实时的稳定控制。

为实现对平台稳定的控制，本发明实施例中，在平台的反馈部分分别设置了角速率陀螺和角度编码器。通过反馈部分中的角速率陀螺和角度编码器分别从不同的测量角度获取平台的位移变化数据，从而形成反馈量，进而实现根据反馈量对平台的适度调整。通过角速率陀螺和角度编码器的组合，可以在单一速度环的情况下增加了编码器位置差分和陀螺角速率积分的反馈，不仅可以有效补偿外界扰动，而且对于累计误差也可以准确的补偿，使得稳定效果更佳。

上述角速率陀螺用于敏感平台对惯性空间的扰动角速率，在敏感获得扰动角速率后，对该扰动角速率在控制周期上进行积分，从而获得由该扰动角速率引起的位移偏移量，即平台对惯性空间的位移变化量。

上述角度编码器用于获取控制周期内的位置值，当获取到当前控制周期的位置值后，通过与上一控制周期中获取的位置值进行差分运算，从而确定当前控制周期中位移变化量，即平台相对基座的位移变化量。角度编码器可以将速度环无法弥补的误差映射于位置环，且降低了较高频率的外部扰动对平台稳定的影响，同时稳定精度不随时间变化，

在获取上述平台对惯性空间的位移变化量(第一位移变化量)和平台对惯性空间的位移变化量(第二位移变化量)后，将第一位移变化量和第二位移变化量进行差值运算，从而获取第三位移变化量。该第三位移变化量可用于表征由外部扰动引起的位移变化量，且剔除了由于内部摩擦带来的影响。

根据该上述第三位移变化量，可通过PID算法控制平台的电机进行方位向和俯仰向转动，从而弥补视轴角误差偏移量，达到稳定的功能。

当根据上述第三变化量进行PID算法的控制时，需要结合平台的当前运动状态。当平台为初次运行状态时，需要结合平台开启稳定初始时刻的角位置，与该第三位移变化量相加，从而获得目标运动位置。

当平台为稳定运行状态时，需要将控制周期以前未完成的补偿误差与上述目标运动位置相叠加，从而确定当前控制周期中实现动态位置环的精确位置。

上述实施例由于采用角度编码器实现了对平台相对基座的位移变化量，从而引入了编码器位置环反馈，实现了对因系统实时性不够所造成的误差累积的补偿。

图2为本发明实施例运动模拟图。

图3为本发明实施例方法流程图。

参考图2，θ_set为开启稳定时刻的初始位置值，w_r为平台对地的转动速度，θ_r为本控制周期结束后的平台运动的位置值。进一步参考图3，对本发明实施例做进一步介绍：

稳定开启后的初始时刻获取视轴的指向即角度编码器反馈角度值为θ_r＝θ_set；

采集的本控制周期的角速率陀螺敏感的方位惯性空间扰动角速率为w_r，并将其在控制周期Δt内积分，即可得到本控制周期内的平台相对于地的位移量Aθ_陀螺＝w_r×Δt；

获取上一次控制周期中角度编码器采样得到的角位置值θ_r(k-1)和本次采样周期内的采样得到的角位置值θ_r(k)，则平台相对于基座在一个控制周期内的唯一变化量为Δθ_平台＝θ_r(k)-θ_r(k-1)；

由步骤2、3计算得到的Δθ_陀螺和Δθ_平台可以计算得到外部扰动造成的平台位移变化量Δθ_扰动＝Δθ_陀螺-Δθ_平台；。

由此可以获得动态位置环控制算法给定位置值即第三位移变化量：

θ_set(k)＝θ_set(k-1)+Δθ_扰动+θ_set(k-1)-θ_r(k-1)；

动态稳定环控制算法第一个控制周期内θ_set(k-1)-θ_r(k-1)为零，但是在以后的控制周期当中由于系统不可避免的滞后特性，每个控制周期内不能保证完全补偿位移偏移量，因此θ_set(k-1)-θ_r(k-1)≠0该补偿误差会被累加进入动态位置环进行补偿。

说明：

θ_set亡为动态位置环控制算法的给定输入位置；

w_r为陀螺感知的平台相对于大地的运动角速率；

θ_r为编码器测量得到的平台的角位置值；

Δt为动态位置环控制算法的控制周期；

Δθ_陀螺为陀螺敏感的角速度在一个控制周期内的角位移变化量；

θ_r(k)为k时刻编码器测量得到的平台的角位置值；

θ_r(k-1)为k-1时刻编码器测量得到的平台的角位置值；

Δθ_平台为绝对值编码器测量的在一个控制周期内的角位移变化量；

Δθ_扰动为外界扰动在一个控制周期内的角位移变化量；

θ_set(k)为k时刻动态位置环控制算法的给定输入量；

θ_set(k-1)为k-1时刻动态位置环控制算法的给定输入量；

在确定上述第三位移变化量后，即可利用PID算法对平台的方位向和俯仰向进行调整。

使用上述实施例对稳定平台进行测试与传统速度补偿算法对比，测试结果如下：

表1

通过上述数据可以看出，相比于传统方法仅仅靠速度环难以补偿较低速率的外部扰动，该误差的累计会造成平台的漂移。本发明实施例不仅降低了摩擦对稳定性能的影响，而且有效的抑制了低速率干扰带来的稳定误差。

以上实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可以通过软件编程实现，其软件程序存储在可读取的存储介质中，存储介质例如：计算机中的硬盘、光盘或软盘。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种稳定平台的动态位置环控制方法，其特征在于包括以下步骤：

确定平台对惯性空间的第一位移变换量，及平台对基座的第二位移变化量；

利用所述第一位移变换量和所述第二位移变化量确定所述平台对基座的第三位移变化量；

根据所述第三位移变化量对平台的方位向和俯仰向进行调整。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述第一位移变化量通过以下步骤获取：

获取扰动角速率；

利用所述扰动角速率确定所述第一位移变化量。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述第二位移变换量通过以下步骤获取：

获取当前位置值；

将所述当前位置值与前一位置的差值作为所述第二位移变化量。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于：根据所述第三位移变化量对平台的方位向和俯仰向进行调整的步骤为：

确定当前未完成的补偿误差；

将所述补偿误差与所述第三位移变化量进行矢量累积；

根据所述矢量累积的结果利用PID算法对平台的方位向和俯仰向进行调整。

5.一种稳定平台的动态位置环控制系统，其特征在于包括：

角速率陀螺，用于确定平台对惯性空间的第一位移变换量；

角度编码器，用于确定平台对基座的第二位移变化量；

变量控制器，用于根据所述第一位移变换量和所述第二位移变化量获得第三位移变化量；

平台控制器，用于根据所述第三位移变化量对所述平台的方位向和俯仰向进行调整。

6.如权利要求5所述系统，其特征在于：所述角速率陀螺用于获取扰动角速率，并根据所述扰动角速率的积分值确定所述第一位移变化量。

7.如权利要求5所述系统，其特征在于：所述角度编码其用于确定当前位置值，并根据所述当前位置值与前一位置值的差值确定所述第二位移变化量。

8.如权利要求5所述系统，其特征在于：所述变量控制器根据所述第一位移变化量和所述第二位移变化量的差值确定所述第三位移变化量。

9.如权利要求5所述系统，其特征在于：所述平台控制器将当前未完成的补偿误差和所述第三位移变化量进行矢量累积，根据所述矢量累积的结果利用PID算法对平台的方位向和俯仰向进行调整。