CN104950905A - 一种基于复合pid的质心调节机构及调节方法 - Google Patents

一种基于复合pid的质心调节机构及调节方法 Download PDF

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Abstract

一种基于复合PID的质心调节机构及调节方法，用于月球弱撞击交会对接地面全物理仿真试验中轨道器和上升器模拟装置六自由度气浮台的质心调节，本发明首次提出了基于复合PID质心精确调节方案。降低了气浮台质心调节的难度，提高了调节的速度，保证了该系统的工程实用性，解决了六自由度气浮台偏角较大时系统调节时间过长，精度低，稳定性差的问题。

Description

一种基于复合PID的质心调节机构及调节方法
技术领域
本发明涉及一种基于复合PID的质心调节机构及调节方法，属于空间飞行器地面全物理仿真领域。
背景技术
六自由度气浮台是月球弱撞击交会对接地面全物理仿真试验的核心设备，采用等比方式模拟了轨道器的质量和惯量特性，具有三个转动自由度和三个平动自由度，为了模拟空间的微重力环境，实现对六自由度气浮台质心调节是必须要解决的根本问题，质心调节的精度也是制约空间微重力环境的精度的主要因素，极大的影响试验结果可靠性的评估。
发明内容
本发明的技术方案解决的问题为：克服现有技术的不足，提供了一种基于复合PID的质心调节机构及调节方法，使姿态平台的质心和球面气浮轴承的球心重合，有利于模拟真实的无重力状态下的姿态运动控制。本发明解决了姿态平台偏角较大时系统调节时间过长，精度低，稳定性差的问题。
本发明采用的技术方案为：
一种基于复合PID的质心调节机构，包括装在六自由度气浮台上的三组质心调节机构、步进电机驱动器和倾角传感器；
六自由度气浮台的姿态平台包括两层，分别为负载下台面和负载上台面，负载下台面和负载上台面之间通过支撑结构连接；质心调节机构包括丝杠、质量块、步进电机和底座；
质量块上有螺纹通孔，套在丝杠上且与丝杠匹配，三个丝杠的一端均通过轴承与底座连接，三组质心调节机构的三个丝杠分别与六自由度气浮台的姿态平台坐标系的三轴平行，三组质心调节机构固定于负载上台面上，步进电机安装在负载上台面上，步进电机驱动器控制步进电机工作，驱动丝杠转动，从而使得质量块沿丝杠移动；倾角传感器装在所述姿态平台上，用于采集六自由度气浮台姿态平台的倾斜角度；
所述六自由度气浮台的姿态平台坐标系是指：原点O为姿态平台的质心，Y轴过质心且垂直于负载上台面，X轴过质心且垂直于Y轴，Z轴由右手定则确定。
一种基于调节机构实现的基于复合PID的质心调节方法，步骤如下：
(1)建立六自由度气浮台的姿态平台坐标系，原点O为姿态平台的质心，Y轴过质心且垂直于负载上台面，X轴过质心且垂直于Y轴，Z轴由右手定则确定；
(2)对X轴方向进行PID调节，X轴方向控制回路包括位置环和速度环，对倾角传感器返回来的角度值在X轴方向的分量进行二阶差分计算，得到X轴角速度值；位置环的输入就是当前角度值的X轴分量，将当前角度值的X轴分量与姿态平台的标定角度值进行比较求得差值后在位置环做PID调节；
速度环的输入为位置环PID调节后的输出，将所述位置环PID调节后的输出与所述X轴角速度值进行比较求得差值后在速度环做PID调节；
速度环做PID调节之后的输出值即为质量块的在X轴方向的移动控制量；
(3)对Y轴方向进行PID调节，Y轴方向控制回路包括位置环和速度环，对倾角传感器返回来的角度值在Y轴方向的分量进行二阶差分计算，得到Y轴角速度值；位置环的输入就是当前角度值的Y轴分量，将当前角度值的Y轴分量与姿态平台的标定角度值进行比较求得差值后在位置环做PID调节；
速度环的输入为位置环PID调节后的输出，将所述位置环PID调节后的输出与所述Y轴角速度值进行比较求得差值后在速度环做PID调节；
速度环做PID调节之后的输出值即为质量块的在Y轴方向的移动控制量；
(4)对Z轴方向进行PID调节，Z轴方向控制回路包括位置环和速度环，对倾角传感器返回来的角度值在Z轴方向的分量进行二阶差分计算，得到Z轴角速度值；位置环的输入就是当前角度值的Z轴分量，将当前角度值的Z轴分量与姿态平台的标定角度值进行比较求得差值后在位置环做PID调节；
速度环的输入为位置环PID调节后的输出，将所述位置环PID调节后的输出与所述Z轴角速度值进行比较求得差值后在速度环做PID调节；
速度环做PID调节之后的输出值即为质量块的在Z轴方向的移动控制量；
(5)针对X轴、Y轴和Z轴的移动控制量，对步进电机按如下方式进行控制，从而调整质量块的位置，完成六自由度气浮台质心的调节：
X轴：
如果姿态平台的倾斜角度大于0.1°且X轴角加速度值为正，则说明此时的正向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置X轴上的步进电机的转速为1转/秒、控制周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度小于-0.1°且X轴角加速度值为负，则说明此时的负向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置X轴上的步进电机的转速为1转/秒、定时器周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度在±0.1°之间，步进电机驱动器设置X轴上的步进电机的转速为0.1转/秒、定时器周期为100毫秒；
Y轴：
如果姿态平台的倾斜角度大于0.1°且Y轴角加速度值为正，则说明此时的正向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Y轴上的步进电机的转速为1转/秒、控制周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度小于-0.1°且Y轴角加速度值为负，则说明此时的负向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Y轴上的步进电机的转速为1转/秒、定时器周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度在±0.1°之间，步进电机驱动器设置Y轴上的步进电机的转速为0.1转/秒、定时器周期为100毫秒；
Z轴：
如果姿态平台的倾斜角度大于0.1°且Z轴角加速度值为正，则说明此时的正向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Z轴上的步进电机的转速为1转/秒、控制周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度小于-0.1°且Z轴角加速度值为负，则说明此时的负向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Z轴上的步进电机的转速为1转/秒、定时器周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度在±0.1°之间，步进电机驱动器设置Z轴上的步进电机的转速为0.1转/秒、定时器周期为100毫秒。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)提出一种三组质心调节机构对六自由度气浮台质心进行调节，每组质心调节机构包括驱动机构电机和质量块，电机用于带动质量移动，三组质心调节机构安装在六自由度气浮台载物平台上，与六自由度气浮台的姿态平台坐标系的三轴平行，三个方向运动完全解耦，实现对六自由度气浮台各个方向上质心分别独立调节。。降低了气浮台质心调节的难度，提高了调节的速度，保证了该系统的工程实用性。。
(2)提出一种六自由度气浮台质心精细自动调节方法，采用基于复合PID的调节方法对系统进行自动精细调节，这种思路提高了六自由度气浮台质心调节的速度和精度，满足了仿真试验对动力学模拟一致性的要求。
附图说明
图1为本发明调节机构示意图；
图2为本发明方法流程图；
图3为本发明调节机构工作原理示意图；
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种基于复合PID的质心调节机构，包括装在六自由度气浮台1上的三组质心调节机构2、步进电机驱动器3和倾角传感器4；
六自由度气浮台1的姿态平台包括两层，分别为负载下台面和负载上台面，负载下台面和负载上台面之间通过支撑结构连接；质心调节机构2包括丝杠5、质量块6、步进电机7和底座8；
质量块6上有螺纹通孔，套在丝杠5上且与丝杠5匹配，三个丝杠5的一端均通过轴承与底座8连接，三组质心调节机构2的三个丝杠5分别与六自由度气浮台的姿态平台坐标系的三轴平行，三组质心调节机构2固定于负载上台面上，步进电机7安装在负载上台面上，步进电机驱动器3控制步进电机7工作，驱动丝杠5转动，从而使得质量块6沿丝杠5移动；倾角传感器4装在所述姿态平台上，用于采集六自由度气浮台1姿态平台的倾斜角度；
所述六自由度气浮台的姿态平台坐标系是指：原点O为姿态平台的质心，Y轴过质心且垂直于负载上台面，X轴过质心且垂直于Y轴，Z轴由右手定则确定。
如图3所示，本调节机构的原理如下：
三组正交质心调节机构的工作原理是通过移动各个方向上调节机构上的质量块相对气浮台各个方向上转动中心的相对位置关系，改变气浮台各个方向上质心相对气浮台转动中心的偏移量，从而保证对气浮台转动中心和质心的重合。
如图2所示，本发明还提供了一种基于上述调节机构实现的基于复合PID的质心调节方法，步骤如下：
(1)建立六自由度气浮台的姿态平台坐标系，原点O为姿态平台的质心，Y轴过质心且垂直于负载上台面，X轴过质心且垂直于Y轴，Z轴由右手定则确定；
(2)对X轴方向进行PID调节，X轴方向控制回路包括位置环和速度环，对倾角传感器返回来的角度值在X轴方向的分量进行二阶差分计算，得到X轴角速度值；位置环的输入就是当前角度值的X轴分量，将当前角度值的X轴分量与姿态平台的标定角度值进行比较求得差值后在位置环做PID调节；
速度环的输入为位置环PID调节后的输出，将所述位置环PID调节后的输出与所述X轴角速度值进行比较求得差值后在速度环做PID调节；
速度环做PID调节之后的输出值即为质量块的在X轴方向的移动控制量；
(3)对Y轴方向进行PID调节，Y轴方向控制回路包括位置环和速度环，对倾角传感器返回来的角度值在Y轴方向的分量进行二阶差分计算，得到Y轴角速度值；位置环的输入就是当前角度值的Y轴分量，将当前角度值的Y轴分量与姿态平台的标定角度值进行比较求得差值后在位置环做PID调节；
速度环的输入为位置环PID调节后的输出，将所述位置环PID调节后的输出与所述Y轴角速度值进行比较求得差值后在速度环做PID调节；
速度环做PID调节之后的输出值即为质量块的在Y轴方向的移动控制量；
(4)对Z轴方向进行PID调节，Z轴方向控制回路包括位置环和速度环，对倾角传感器返回来的角度值在Z轴方向的分量进行二阶差分计算，得到Z轴角速度值；位置环的输入就是当前角度值的Z轴分量，将当前角度值的Z轴分量与姿态平台的标定角度值进行比较求得差值后在位置环做PID调节；
速度环的输入为位置环PID调节后的输出，将所述位置环PID调节后的输出与所述Z轴角速度值进行比较求得差值后在速度环做PID调节；
速度环做PID调节之后的输出值即为质量块的在Z轴方向的移动控制量；
(5)针对X轴、Y轴和Z轴的移动控制量，对步进电机按如下方式进行控制，从而调整质量块的位置，完成六自由度气浮台质心的调节：
X轴：
如果姿态平台的倾斜角度大于0.1°且X轴角加速度值为正，则说明此时的正向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置X轴上的步进电机的转速为1转/秒、控制周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度小于-0.1°且X轴角加速度值为负，则说明此时的负向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置X轴上的步进电机的转速为1转/秒、定时器周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度在±0.1°之间，步进电机驱动器设置X轴上的步进电机的转速为0.1转/秒、定时器周期为100毫秒；
Y轴：
如果姿态平台的倾斜角度大于0.1°且Y轴角加速度值为正，则说明此时的正向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Y轴上的步进电机的转速为1转/秒、控制周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度小于-0.1°且Y轴角加速度值为负，则说明此时的负向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Y轴上的步进电机的转速为1转/秒、定时器周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度在±0.1°之间，步进电机驱动器设置Y轴上的步进电机的转速为0.1转/秒、定时器周期为100毫秒；
Z轴：
如果姿态平台的倾斜角度大于0.1°且Z轴角加速度值为正，则说明此时的正向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Z轴上的步进电机的转速为1转/秒、控制周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度小于-0.1°且Z轴角加速度值为负，则说明此时的负向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Z轴上的步进电机的转速为1转/秒、定时器周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度在±0.1°之间，步进电机驱动器设置Z轴上的步进电机的转速为0.1转/秒、定时器周期为100毫秒。
本文所述基于复合PID的质心调节机构及调节方法，采用三正交的质心调节机构布局，与六自由度气浮台的姿态平台坐标系的三轴平行，三个方向运动完全解耦，能实现对六自由度气浮台各个方向上质心分别独立调节。降低了气浮台质心调节的难度，提高了调节的速度，保证了该系统的工程实用性。所述质心调节方法采用基于复合PID对系统进行自动精细调节，这种思路提高了六自由度气浮台质心调节的速度和精度，满足了仿真试验对动力学模拟一致性的要求。

Claims (2)

1.一种基于复合PID的质心调节机构，其特征在于包括装在六自由度气浮台(1)上的三组质心调节机构(2)、步进电机驱动器(3)和倾角传感器(4)；
六自由度气浮台(1)的姿态平台包括两层，分别为负载下台面和负载上台面，负载下台面和负载上台面之间通过支撑结构连接；质心调节机构(2)包括丝杠(5)、质量块(6)、步进电机(7)和底座(8)；
质量块(6)上有螺纹通孔，套在丝杠(5)上且与丝杠(5)匹配，三个丝杠(5)的一端均通过轴承与底座(8)连接，三组质心调节机构(2)的三个丝杠(5)分别与六自由度气浮台的姿态平台坐标系的三轴平行，三组质心调节机构(2)固定于负载上台面上，步进电机(7)安装在负载上台面上，步进电机驱动器(3)控制步进电机(7)工作，驱动丝杠(5)转动，从而使得质量块(6)沿丝杠(5)移动；倾角传感器(4)装在所述姿态平台上，用于采集六自由度气浮台(1)姿态平台的倾斜角度；
所述六自由度气浮台的姿态平台坐标系是指：原点O为姿态平台的质心，Y轴过质心且垂直于负载上台面，X轴过质心且垂直于Y轴，Z轴由右手定则确定。
2.一种基于权利要求1调节机构实现的基于复合PID的质心调节方法，其特征在于步骤如下：
(1)建立六自由度气浮台的姿态平台坐标系，原点O为姿态平台的质心，Y轴过质心且垂直于负载上台面，X轴过质心且垂直于Y轴，Z轴由右手定则确定；
(2)对X轴方向进行PID调节，X轴方向控制回路包括位置环和速度环，对倾角传感器返回来的角度值在X轴方向的分量进行二阶差分计算，得到X轴角速度值；位置环的输入就是当前角度值的X轴分量，将当前角度值的X轴分量与姿态平台的标定角度值进行比较求得差值后在位置环做PID调节；
速度环的输入为位置环PID调节后的输出，将所述位置环PID调节后的输出与所述X轴角速度值进行比较求得差值后在速度环做PID调节；
速度环做PID调节之后的输出值即为质量块的在X轴方向的移动控制量；
(3)对Y轴方向进行PID调节，Y轴方向控制回路包括位置环和速度环，对倾角传感器返回来的角度值在Y轴方向的分量进行二阶差分计算，得到Y轴角速度值；位置环的输入就是当前角度值的Y轴分量，将当前角度值的Y轴分量与姿态平台的标定角度值进行比较求得差值后在位置环做PID调节；
速度环的输入为位置环PID调节后的输出，将所述位置环PID调节后的输出与所述Y轴角速度值进行比较求得差值后在速度环做PID调节；
速度环做PID调节之后的输出值即为质量块的在Y轴方向的移动控制量；
(4)对Z轴方向进行PID调节，Z轴方向控制回路包括位置环和速度环，对倾角传感器返回来的角度值在Z轴方向的分量进行二阶差分计算，得到Z轴角速度值；位置环的输入就是当前角度值的Z轴分量，将当前角度值的Z轴分量与姿态平台的标定角度值进行比较求得差值后在位置环做PID调节；
速度环的输入为位置环PID调节后的输出，将所述位置环PID调节后的输出与所述Z轴角速度值进行比较求得差值后在速度环做PID调节；
速度环做PID调节之后的输出值即为质量块的在Z轴方向的移动控制量；
(5)针对X轴、Y轴和Z轴的移动控制量，对步进电机按如下方式进行控制，从而调整质量块的位置，完成六自由度气浮台质心的调节：
X轴：
如果姿态平台的倾斜角度大于0.1°且X轴角加速度值为正，则说明此时的正向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置X轴上的步进电机的转速为1转/秒、控制周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度小于-0.1°且X轴角加速度值为负，则说明此时的负向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置X轴上的步进电机的转速为1转/秒、定时器周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度在±0.1°之间，步进电机驱动器设置X轴上的步进电机的转速为0.1转/秒、定时器周期为100毫秒；
Y轴：
如果姿态平台的倾斜角度大于0.1°且Y轴角加速度值为正，则说明此时的正向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Y轴上的步进电机的转速为1转/秒、控制周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度小于-0.1°且Y轴角加速度值为负，则说明此时的负向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Y轴上的步进电机的转速为1转/秒、定时器周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度在±0.1°之间，步进电机驱动器设置Y轴上的步进电机的转速为0.1转/秒、定时器周期为100毫秒；
Z轴：
如果姿态平台的倾斜角度大于0.1°且Z轴角加速度值为正，则说明此时的正向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Z轴上的步进电机的转速为1转/秒、控制周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度小于-0.1°且Z轴角加速度值为负，则说明此时的负向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Z轴上的步进电机的转速为1转/秒、定时器周期为500毫秒；
如果姿态平台的倾斜角度在±0.1°之间，步进电机驱动器设置Z轴上的步进电机的转速为0.1转/秒、定时器周期为100毫秒。
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