CN105867445B - 一种气球吊篮反作用飞轮的简易平稳降速方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气球吊篮反作用飞轮的简易平稳降速方法，适用于以反作用飞轮系统、反捻机构进行方位控制的气球吊篮。针对气球吊篮在飞轮转速饱和或退出控制过程中需要对飞轮降速的问题，改进了以往的卸荷过程中控制系统逻辑结构复杂问题。具体方法为，测量飞轮当前速度值，将其与目标速度进行比较，根据比较结果向飞轮驱动电路施加一个固定的给定信号，同时反捻机构不再主动提供力矩，而是保持气球和吊篮相对静止，可实现飞轮的平稳降速。本发明在飞轮降速过程中不需要吊篮的方位控制系统进行闭环，也不需要反捻机构提供额外的力矩，简化了高空气球吊篮反作用飞轮控制系统及反捻机构控制系统在卸荷过程的结构，降低了高空气球吊篮的控制系统设计难度。

Description

一种气球吊篮反作用飞轮的简易平稳降速方法

技术领域

本发明属于控制工程领域，特别涉及一种气球吊篮反作用飞轮在转速饱和或退出控制状态时的平稳降速方法。

背景技术

气球吊篮，是指通过柔性连接(通常为缆绳)吊挂在气球、飞艇等浮空载体下方的设备搭载平台，有时也称作悬吊平台或浮空平台，在天文观测、气象、遥感、高能物理等科学领域有广阔的应用前景。

气球吊篮在正常工作时，需要对其方位姿态角(以下简称方位角)进行控制，以保证其上搭载的设备可以稳定工作。吊篮的方位角控制系统通常由两个子系统组成：反作用飞轮系统和反捻机构。反作用飞轮系统测量吊篮方位角、方位角速度、以及飞轮转速，通过电机调整飞轮转速，利用飞轮角动量变化产生的反作用力矩实现吊篮方位角的稳定和调整。反捻机构通常有两个功能：一是解耦，测量气球吊绳上的扭矩，通过调整气球和吊篮的相对位置消除缆绳上的扭矩；二是卸荷，在飞轮转速接近饱和时，反捻电机提供额外的力矩使得飞轮电机转速回到零位。一般情况下，飞轮需要降速的场合有两个：一是飞轮转速接近饱和时；二是退出控制状态前，若此时飞轮处于高速旋转状态，如果不对飞轮降速而突然撤去飞轮电机上的控制量，飞轮在摩擦力作用下急剧降速，其角动量变化造成的反作用力矩会引起吊篮剧烈晃动。

根据现有公开发表的文献，卸荷过程中的飞轮降速由反捻系统起主导作用。西北工业大学自动化学院张伟、袁朝辉、章卫国等人在论文《平流层球载系统方位控制仿真与试验研究》(《计算机仿真》，2009年8月26卷第8期，37～40页)指出“当飞轮电机的转速较高时，为了使飞轮电机回到可控范围，反捻电机提供额外力矩使得飞轮电机转速回到零附近，完成卸荷功能。”西北工业大学蔡满意、何长安在论文《气球吊篮姿态控制系统的仿真研究》(《计算机仿真》，2005年11月22卷第11期，56～59页)中也指出“…很快转速将达到饱和，因此必须有一个机构能够在飞轮电机到达饱和之前，使其重新回到原先的转速工作点附近。…即利用反捻电机在吊篮上产生与摩擦力矩相反的电磁力矩，使飞轮电机向相反的方向加速，…”。西北工业大学何琳琳，窦满锋也在论文《直流力矩电动机在气球吊篮方位控制系统中的应用》(《微特电机》2005年第9期，32～34页)指出：“为了防止飞轮的速度达到极限后不能实现正常控制，在角动量系统中加装了‘解耦卸荷’装置(本系统加装了反捻机构)。”何琳琳等人还在论文《高空气球吊篮全数字反捻系统》(《微特电机》，2005年12期，31～33页)中指出“反捻器作为吊绳扭矩的去耦机构和反作用飞轮角动量的卸荷机构，是协助气球吊篮实现高精度姿态控制和预期姿态稳定控制的重要组成部分。”

以上系统中，飞轮降速时均采用类似专利《一种悬吊平台的方位控制系统及其方法》(ZL201110338480.9)说明书附图1的控制结构，即在飞轮系统闭环的条件下，反捻机构主动施加额外的力矩，吊篮(专利中称为悬吊平台)角位置控制器为保证吊篮角位置稳定，迫使飞轮降速。这种方法需飞轮工作在闭环条件下，控制系统结构复杂，且反捻机构施加的力矩大小不易控制，而且还可能引起飞轮系统转速变化发生振荡。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：当气球吊篮反作用飞轮转速饱时，或者飞轮转速不为零且将要退出控制状态时，对飞轮平稳降速，以免引起吊篮晃动，且避免传统飞轮降速方法中需飞轮系统闭环，由反捻机构主动提供额外扭矩的时控制结构复杂的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种气球吊篮反作用飞轮的简易平稳降速方法，根据飞轮当前实际转速与目标转速的差，给飞轮电机驱动电路一个固定幅值的给定信号，该信号符号根据飞轮旋转方向变化，使飞轮驱动电机做降速运动，当飞轮转速降低至目标范围内时撤去该信号。

其中，该方法适用于含有反作用飞轮子系统、反捻机构的气球吊篮在卸荷、退出姿态控制状态需要飞轮降速的场合，在降速过程中，反捻机构不再主动提供额外力矩，而是保持吊篮和气球相对静止。

该方法利用气球吊篮姿态控制系统现有的硬件结构----含反作用飞轮系统和反捻机构，只改变控制策略，在飞轮控制系统开环的情况下，给飞轮驱动电路一个小的降速信号，同时反捻机构保持吊篮和缆绳相对静止，直至转速降至目标范围内。具体实施步骤为：

(1)接到降速指令后，根据任务决定目标转速(卸荷与退出控制状态时降速的目标转速可能不同)，控制器读取当前飞轮旋转方向及转速。

(2)控制器向飞轮电机驱动电路发一个幅值固定的信号，该信号的符号根据飞轮当前转速方向确定，确保使飞轮速度降低，其幅值应保证飞轮降速引起的反作用扭矩在反捻机构可以承受的安全范围之内。同时，反捻机构呈“锁死”状态(即保证缆绳和吊篮相对静止)。

(3)控制器继续读取飞轮转速及方向，当转速降至目标范围内时，撤去向飞轮电机驱动电路的给定信号，降速过程结束。

(4)切换至其他控制状态。

本发明的原理如下：当飞轮需要降速时，控制器直接向飞轮电机的驱动电路发出一个幅值恒定的降速信号，该信号引起飞轮电机做匀减速运动，同时保证飞轮角动量变化引起的反作用扭矩在反捻机构的安全承受范围内。反捻机构保持相对静止状态，不再主动提供额外的扭矩，只是被动的接受飞轮角动量变化所产生的反作用扭矩，并将之传递给缆绳和气球。实际上和吊篮相比，气球的转动惯量非常大，当吊篮以较低的角加速度进行降速时，缆绳传来的扭矩引起气球角动量变化可以忽略不计，而气球本身的转动速度很慢，在减速过程中所转动的角度可以忽略不计，所以在此过程中吊篮的方位角可以保持稳定。这一过程体现在附图2中，吊篮方位角变化与飞轮角动量变化不再有联系，吊篮模型在飞轮减速控制框图中省略。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明提出的减速方法不再需要反捻机构主动提供控制额外的扭矩，只是被动的接受飞轮角动量变化带来的扭矩，提高了系统的安全性。

(2)在减速过程中不再需要飞轮系统工作在闭环状态，避免了系统闭环可能带来的反作用扭矩过大、振荡等问题。

(3)本发明在硬件实现上不改变原有的吊篮姿态控制系统硬件结构，只需软件上简化信号流程，投入成本较低。

本发明提出的简易降速方法，适用于含有反作用飞轮系统、反捻机构的气球吊篮在卸荷、退出控制状态时的平稳降速，简化了气球吊篮方位姿态角的控制系统结构。

附图说明

图1为以往的气球吊篮反作用飞轮降速时的的控制系统的框图，其中，图1(a)为总系统控制框图，图1(b)为总系统控制框图中执行机构子单元的结构示意图；

图2为本发明气球吊篮反作用飞轮降速时的控制系统的框图；

图3为本发明的控制器主程序流程图；

图4为本发明应用范例的实测实验数据曲线。

具体实施方式

以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

下面以某气球吊篮方位控制系统的飞轮降速实施例为例对本发明进一步说明。

如图2所示，为本发明气球吊篮反作用飞轮降速时的控制系统的结构，包含驱动电路、飞轮电机、飞轮、飞轮转速测量和反捻机构。飞轮转速测量单元测量当前飞轮的转速用以进行给定切换，驱动电路则把给定转化为驱动电压送给飞轮电机，从而控制飞轮的转速，实现平稳降速。

某气球吊篮已安装方位控制系统：含方位角测量器件(根据地磁信号测量吊篮方位角)、方位角速度测量器件(陀螺满量程±80°/s，对应±5V输出)、带有A/D，D/A等接口的数字控制器，反作用飞轮及其驱动电机、驱动电路，飞轮转速测量器件，反捻机构(含电机及扭矩测量器件)等。反作用飞轮驱动电路的信号输入范围在-5V～+5V，且在-0.45V～0.45V范围内存在死区(即静止状态下若输入信号-0.45V～0.45V范围内时飞轮不动作)。当前转速约30转/分，系统将要退出控制状态，要求飞轮平稳降速，在降速过程中吊篮不发生剧烈晃动。接到降速指令后控制系统结构按图2所示的方式进行工作，按以下步骤完成降速过程：

(1)接到降速指令后，设定目标转速为±1转/分，控制器测量当前飞轮转速，将其与目标转速进行比较，根据比较的结果确定飞轮电机的降速方向。

(2)向反捻电机发出“锁死”指令(即保持缆绳与吊篮相对静止)，同时向飞轮驱动板发一个1V的给定信号，飞轮在此信号作用下做降速运动。

(3)继续测量转速，当飞轮转速降至1转/分时，撤去向飞轮电机驱动电路发出的控制信号，即将控制驱动控制电路的驱动信号置为0V。

(4)切断飞轮驱动电源，切断控制器电源，退出控制状态。

以上控制算法在同一台数字控制器实现，软件实现流程参见图3。

本实施例实测实验数据曲线如图4所示：第一行为飞轮转速变化曲线，除1.9秒时因测量转速用的编码器跳码所致的转速瞬间跳变外(测量误差)，飞轮转速变化平稳；第二行为测量吊篮方位角速度的陀螺输出曲线，从图中可以看出，吊篮方位角速度接近于0，噪声幅度约为0.5V，对应8°/秒；第三行为吊篮方位角误差变化曲线，方位角误差整体拨动幅度在0.5度以内，2.2秒后，方位角误差为0°。可以看出，吊篮方位角波动很小，整个降速过程平稳。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种气球吊篮反作用飞轮的简易平稳降速方法，其特征在于：根据飞轮当前实际转速与目标转速的差，给飞轮电机驱动电路一个固定幅值的给定信号，该给定信号的符号根据飞轮旋转方向变化，使飞轮驱动电机做降速运动，当飞轮转速降低至目标范围内时撤去该给定信号；

该方法适用于含有反作用飞轮子系统、反捻机构的气球吊篮在卸荷、退出姿态控制状态需要飞轮降速的场合；

在降速过程中，反捻机构不再主动提供额外力矩，而是保持吊篮和气球相对静止；

当飞轮需要降速时，控制器直接向飞轮电机的驱动电路发出一个幅值恒定的降速信号，该降速信号引起飞轮电机做匀减速运动，同时保证飞轮角动量变化引起的反作用扭矩在反捻机构的安全承受范围内；反捻机构保持相对静止状态，不再主动提供额外的扭矩，只是被动的接受飞轮角动量变化所产生的反作用扭矩，并将之传递给缆绳和气球；和吊篮相比，气球的转动惯量非常大，当吊篮以较低的角加速度进行降速时，缆绳传来的扭矩引起气球角动量变化忽略不计，而气球的转动速度很慢，在减速过程中所转动的角度忽略不计，所以在此过程中吊篮的方位角保持稳定。