CN105157702B - 一种全姿态三框架四轴惯性平台随动环控制方法 - Google Patents

一种全姿态三框架四轴惯性平台随动环控制方法 Download PDF

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Abstract

一种全姿态三框架四轴惯性平台随动环控制方法，步骤为：(1)闭合四轴惯性平台系统的稳定回路；(2)控制器进入随动工作模式，当外环轴角度到达限定范围时，进入当前位置锁定模式，否则，保持随动工作模式；(3)在当前位置锁定模式下，当外环和内环轴角度到达翻转条件时，控制器进入90°翻转模式；否则，当外环角度到达限定范围时，保持当前位置锁定模式，当外环轴角度未到达限定范围时，切换到随动工作模式；(4)在90°翻转模式下，控制器将随动环从当前随动轴角度位置正向或负向翻转90°，控制器切换至随动工作模式。本发明克服现有技术不足，使四轴惯性平台具备全姿态工作能力。

Description

一种全姿态三框架四轴惯性平台随动环控制方法
技术领域
本发明涉及一种全姿态三框架四轴惯性平台系统随动环的控制方法。
背景技术
平台式惯性导行系统按照框架结构可以分为两框架三轴惯性平台(简称三轴惯性平台)和三框架四轴惯性平台(简称四轴惯性平台)。三轴惯性平台的内环轴在转动±90°后，台体轴会和外环轴平行，会失去一个自由度，导致三轴惯性平台工作异常，该现象即为三轴惯性平台的“框架锁定现象”。为了避免该现象发生，需要在三轴惯性平台内环轴转动方向上设置限位角(一般为±45°)，即：在使用三轴惯性平台时，载体(装载平台式惯性导行系统的设备如飞机、汽车、武器等)在内环轴转动方向上不能进行大范围机动(不能超过限位角±45°)。所以说，三轴惯性平台不能实现全姿态输出。
为了解决三轴惯性平台“框架锁定现象”的问题，诞生了四轴惯性平台，四轴惯性平台在三轴惯性平台的基础上增加了随动环，随动环的控制器采用了两种工作模式：一是随动工作模式，二是锁零工作模式。在随动工作模式下随动环实时跟踪平台内环轴角度，使台体轴与外环轴始终保持垂直，从而避免了三轴惯性平台的“框架锁定现象”。然而，当外环轴角度处于±90°附近时，随动工作模式会进入不稳定状态，失去正常功能，导致平台系统工作异常，该现象称之为四轴惯性平台“外环90°问题”。针对此问题，随动环的控制增加了锁零模式，锁零模式的作用是将随动环锁定在随动轴角度为0°的位置，将四轴惯性平台降为三轴惯性平台，平台外环可以工作在±90°，但此时内环轴转动方向上的角度不能超出±45°，而且由随动模式切换为锁零模式时随动轴角度必须处于±45°之间，否则，会使内环轴角度到达限位角位置，使内环轴失去自由度，平台系统工作异常。
综上所述，现有的四轴惯性平台不论是工作在随动模式还是锁零模式都存在死区，不能实现真正意义的全姿态工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种全姿态四轴惯性平台随动环的控制方法，该方法使四轴惯性平台的外环轴可以工作在±90°附近，而且载体可以沿内环轴转动方向上进行超出±45°的大范围角运动，能够克服现有四轴惯性平台的工作死区，使其具备全姿态工作的能力。
本发明所采用的技术方案如下：一种全姿态三框架四轴惯性平台随动环控制方法，包括如下步骤：
(1)闭合四轴惯性平台系统的稳定回路，将四轴惯性平台台体轴角度θz、内环轴角度θx、外环轴角度θy转动到零度位置；
(2)控制器进入随动工作模式，使得内环轴角度θx保持在θx＝0的位置；控制器持续监测外环轴角度θy的值，当外环轴角度θy进入[-95°，-85°]或[85°,95°]范围时，将控制器切换到当前位置锁定模式；当外环轴角度θy未进入[-95°，-85°]或[85°,95°]范围时，控制器保持在随动工作模式；
(3)在当前位置锁定模式下，通过控制器将随动环锁定在当前随动轴角度θx'(t0)位置；控制器持续监测外环轴角度θy和内环轴角度θx的值，当外环轴角度θy在[-95°，-85°]或[85°,95°]范围内且内环轴角度到达[-45°，-15°]或[+15°,+45°]范围内时，控制器进入90°翻转模式；当外环轴角度θy保持在[-95°，-85°]或[85°,95°]范围且内环轴角度未到达[-45°，-15°]或[+15°,+45°]范围内时，控制器保持在当前位置锁定模式；当外环轴角度θy离开[-95°，-85°]或[85°,95°]范围时，控制器切换到随动工作模式；
(4)在90°翻转模式下，通过控制器将随动环从当前随动轴角度θx'(t0)位置正向或负向翻转90°，正向翻转方向符合右手定则，控制器切换随动工作模式。
所述随动工作模式下，控制器对随动环的控制方法如下：控制器以内环轴角度θx与外环轴角度对输入的修正量secθy值之间的乘积作为控制器输入量，计算输出量，输出量经过光耦隔离和功率放大后提供给随动轴力矩电机，带动随动环反向转动产生力矩，推动随动环产生随动环角度θx'，使内环轴角度θx＝0；同时，根据secθy的值判断是否进入当前位置锁定模式。
所述当前位置锁定模式下，控制器对随动环的控制方法如下：控制器以随动轴角度θx'与控制器进入当前位置锁定模式时刻的随动轴角度θx'(t0)的偏差值为输入量，控制器计算出的控制量经过光耦隔离和功率放大后提供给随动轴力矩电机，产生力矩使得θx'(t0)＝θx'，将随动环锁定在当前随动轴角度θx'(t0)位置。
所述90°翻转模式下，控制器对随动环的控制方法如下：当θx'(t0)在[-95°，-85°]范围内时，控制器以随动轴角度θx'与控制器进入当前位置锁定模式时刻的随动轴角度θx'(t0)+90°的偏差值为输入量，控制器计算出的控制量经过光耦隔离和功率放大后提供给随动轴力矩电机，带动随动轴转动，使得θx'(t0)+90°＝θx'，使得随动环从当前随动轴角度θx'(t0)位置正向翻转90°；或者当θx'(t0)在[85°,95°]范围内时，控制器以随动轴角度θx'与控制器进入当前位置锁定模式时刻的随动轴角度输入θx'(t0)-90°的偏差值为输入量，控制器计算出的控制量经过光耦隔离和功率放大后提供给随动轴力矩电机，带动随动轴转动，使得θx'(t0)-90°＝θx'，使得随动环从当前随动轴角度θx'(t0)位置负向翻转90°。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明所采用的当前位置锁定工作模式与现有的锁零回路相比，可以在任意位置将四轴惯性平台降为三轴惯性平台，使四轴惯性平台外环具备工作在过±90°位置和停留在±90°位置的能力；
(2)本发明中，当四轴惯性平台外环处于±90°位置时，通过引入90°翻转模式后，可以消除此时载体在内环轴转动方向上的角度限制，进行超出±45°的大范围角运动，同时能够将外环带离±90°位置，使四轴惯性平台具备重新切换为随动工作模式的能力；
(3)本发明采用随动工作模式、当前位置锁定模式及90°翻转模式三种模式相结合的随动环控制方法，克服了现有四轴惯性平台的工作死区，实现了四轴惯性平台的全姿态工作。
附图说明
图1是本发明四轴惯性平台框架坐标系定义示意图；
图2是本发明四轴惯性平台全姿态控制流程示意图；
图3是本发明控制器随动工作模式下对随动环的控制方法框图；
图4是本发明控制器当前位置锁定模式下对随动环的控制方法框图；
图5是本发明控制器90°翻转模式下对随动环的控制方法框图。
具体实施方式
为方便叙述，首先给出四轴惯性平台框架坐标系定义，如图1所示，OX’轴为随动轴，转动角度范围-180°到+180°；OX轴为内环轴，转动角度范围-45°到+45°；OY轴为外环轴，转动角度范围-180°到+180°；OZ轴为台体轴，转动角度范围-180°到+180°；OXpYpZp为平台台体坐标系；OX’XYZ为平台框架轴系。定义θx'表示随动轴角度，极性定义为平台基座绕OX’轴正向转动输出为正，正向转动方向符合右手定则；θy表示外环轴角度，极性定义为平台随动环绕OY轴正向转动输出为正，正向转动方向符合右手定则；θx表示内环轴角度，极性定义为平台外环绕OX轴正向转动输出为正，正向转动方向符合右手定则；θz表示台体轴角度，极性定义为平台内环绕OZ轴正向转动输出为正，正向转动方向符合右手定则。载体的X轴与内环轴OX轴方向一致，Y轴与外环轴OY轴方向一致，Z轴与台体轴OZ轴方向一致。
如图2所示，一种全姿态三框架四轴惯性平台随动环控制方法，步骤如下：
(1)闭合四轴惯性平台系统的稳定回路，并通过各轴端的力矩电机将四轴惯性平台台体轴、内环轴、外环轴角度转动到零度位置。
(2)控制器进入随动工作模式，在随动工作模式下，控制器对随动环的控制方法框图如图3所示。设计一个随动环控制器，控制器可以是任意一种形式，例如普通PID控制器，控制器以内环轴角度θx为输入量，同时需要用外环轴角度θy对输入进行修订，即将内环轴角度θx乘以secθy值作为控制器最终输入量，控制器根据输入量计算输出量，输出量经过光耦隔离和功率放大后提供给随动轴力矩电机，随动轴力矩电机带动随动环反向转动产生力矩Md，Md与干扰力矩Mr的差值力矩ΔM推动随动环产生随动环角度θx'，θx'与cosθy的乘积获得的角度值与θx角度值相等且方向相反，达到使内环轴角度θx＝0的目的。此时，控制器持续监测外环轴角度θy的角度值，当θy＝±90°时，secθy＝∞，此时控制器增益变得无穷大，力矩电机带动随动环高速旋转，使系统处于异常工作状态。所以，当外环轴角度θy到达限定范围时，即外环轴角度θy进入[-95°，-85°]或[85°,95°]范围内时，将控制器切换到当前位置锁定模式；当外环轴角度θy未到达限定范围时，控制器保持在随动工作模式。
(3)在当前位置锁定模式下，控制器对随动环的控制方法框图如图4所示，控制器以随动轴角度θx'与控制器进入当前位置锁定模式时刻的随动轴角度θx'(t0)的偏差值为输入量，控制器计算出的控制量经过光耦隔离和功率放大后提供给随动轴力矩电机，产生力矩Md，Md与干扰力矩Mr的差值力矩ΔM带动随动轴转动，使控制器输入量保持在零位，即使得θx'(t0)＝θx'，达到将随动环锁定在θx'(t0)位置的目的。此时，控制器持续监测外环轴角度θy和内环轴角度θx，当外环轴角度θy和内环轴角度θx到达翻转条件时，即当外环轴角度没有离开[-95°，-85°]或[85°,95°]范围时，且内环轴角度到达一定范围内，例如内环轴角度达到-15°或者+15°时，控制器进入90°翻转模式；当外环轴角度θy和内环轴角度θx未到达翻转条件且外环轴角度θy到达限定范围时，即外环轴角度θy保持在[-95°，-85°]或[85°,95°]范围且内环轴角度未到达一定范围内，例如内环轴角度在0°时，控制器保持在当前位置锁定模式；当外环轴角度θy和内环轴角度θx未到达翻转条件且外环轴角度θy未到达限定范围时，即外环轴角度θy离开[-95°，-85°]或[85°,95°]范围时，控制器切换到步骤(2)中随动工作模式。
(4)在90°翻转模式下，随动环控制原理框图如图5所示，控制器以随动轴角度θx'与控制器进入当前位置锁定模式时刻的随动轴角度θx'(t0)+90°(θx'(t0)在[-95°，-85°]范围内)或者θx'(t0)-90°(θx'(t0)在[85°,95°]范围内)的偏差值为输入量，控制器计算出的控制量经过光耦隔离和功率放大后提供给随动轴力矩电机，产生力矩Md，Md与干扰力矩Mr的差值力矩ΔM带动随动轴转动，使控制器输入量保持在零位，即使得θx'(t0)+90°＝θx'或者θx'(t0)-90°＝θx'，达到将随动环从θx'(t0)位置正向或者负向翻转90°的目的。此时，控制器切换回随动工作模式。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种全姿态三框架四轴惯性平台随动环控制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)闭合四轴惯性平台系统的稳定回路，将四轴惯性平台台体轴角度θz、内环轴角度θx、外环轴角度θy转动到零度位置；
(2)控制器进入随动工作模式，使得内环轴角度θx保持在θx＝0的位置；控制器持续监测外环轴角度θy的值，当外环轴角度θy进入[-95°，-85°]或[85°,95°]范围时，将控制器切换到当前位置锁定模式；当外环轴角度θy未进入[-95°，-85°]或[85°,95°]范围时，控制器保持在随动工作模式；
(3)在当前位置锁定模式下，通过控制器将随动环锁定在当前随动轴角度θx'(t0)位置；控制器持续监测外环轴角度θy和内环轴角度θx的值，当外环轴角度θy在[-95°，-85°]或[85°,95°]范围内且内环轴角度到达[-45°，-15°]或[+15°,+45°]范围内时，控制器进入90°翻转模式；当外环轴角度θy保持在[-95°，-85°]或[85°,95°]范围且内环轴角度未到达[-45°，-15°]或[+15°,+45°]范围内时，控制器保持在当前位置锁定模式；当外环轴角度θy离开[-95°，-85°]或[85°,95°]范围时，控制器切换到随动工作模式；
(4)在90°翻转模式下，通过控制器将随动环从当前随动轴角度θx'(t0)位置正向或负向翻转90°，正向翻转方向符合右手定则，控制器切换回随动工作模式。
2.根据权利要求1所述的一种全姿态三框架四轴惯性平台随动环控制方法，其特征在于：所述随动工作模式下，控制器对随动环的控制方法如下：控制器以内环轴角度θx与外环轴角度对输入的修正量secθy值之间的乘积作为控制器输入量，计算输出量，输出量经过光耦隔离和功率放大后提供给随动轴力矩电机，带动随动环反向转动产生力矩，推动随动环产生随动轴角度θx'，使内环轴角度θx＝0；同时，根据secθy的值判断是否进入当前位置锁定模式。
3.根据权利要求1或2所述的一种全姿态三框架四轴惯性平台随动环控制方法，其特征在于：所述当前位置锁定模式下，控制器对随动环的控制方法如下：控制器以随动轴角度θx'与控制器进入当前位置锁定模式时刻的随动轴角度θx'(t0)的偏差值为输入量，控制器计算出的输出量经过光耦隔离和功率放大后提供给随动轴力矩电机，产生力矩使得θx'(t0)＝θx'，将随动环锁定在当前随动轴角度θx'(t0)位置。
4.根据权利要求3所述的一种全姿态三框架四轴惯性平台随动环控制方法，其特征在于：所述90°翻转模式下，控制器对随动环的控制方法如下：当θx'(t0)在[-95°，-85°]范围内时，控制器以随动轴角度θx'与θx'(t0)+90°的偏差值为输入量，控制器计算出的输出量经过光耦隔离和功率放大后提供给随动轴力矩电机，带动随动轴转动，使得θx'(t0)+90°＝θx'，使得随动环从当前随动轴角度θx'(t0)位置正向翻转90°；或者当θx'(t0)在[85°,95°]范围内时，控制器以随动轴角度θx'与θx'(t0)-90°的偏差值为输入量，控制器计算出的输出量经过光耦隔离和功率放大后提供给随动轴力矩电机，带动随动轴转动，使得θx'(t0)-90°＝θx'，使得随动环从当前随动轴角度θx'(t0)位置负向翻转90°；θx'(t0)为控制器进入当前位置锁定模式时刻的随动轴角度。
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