CN107844122B - 一种宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法 - Google Patents

一种宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法，依据载荷重量进行分档，针对每档重量区间进行参数设计，选取载荷重量对应的区间，以对应区间下限值的参数为粗调参数，通过交互界面直接调整微调参数，实现良好的伺服控制性能；而且本方法操作简便，计算时间短，采用力矩余量较大的力矩电机实现可调节负载范围大，提高了稳定平台载荷承载效率，解决了稳定平台通用性差的问题。

Description

一种宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法
技术领域
本发明涉及伺服控制系统领域，特别涉及一种宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法。
背景技术
近年来，随着光电技术的发展和测控技术的不断完善，光电稳定平台在航空航天领域的应用越来越多。在光学遥感航空作业过程中，载荷成像质量下降主要原因是受到航空平台姿态“抖动”干扰，光学系统视轴晃动从而成像模糊。目前航空遥感领域通过在航空平台上加装稳定平台，在俯仰、偏航、滚转三个方向进行姿态补偿，实现对外部扰动干扰隔离，达到稳定视轴的效果。在稳定平台实际工作过程中，为了满足高精度视轴稳定效果，对于挂载载荷重量具有单一性，即在载荷某一固定重量条件下能够保证较强的扰动隔离能力，而对于其他重量的载荷视轴稳定效果减弱，无法达到预期的效果。普通稳定平台具有通用化差的缺点，无法在挂载不同重量载荷时，都具有相同的视轴稳定效果，这也是当前光学遥感稳定平台无法实现高效率承载多种载荷的主要原因。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法，该方法操作简便，可调节负载范围大，提高了稳定平台载荷承载效率，解决了稳定平台通用性差的问题。
本发明的具体实施方案如下：
一种宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法，稳定平台的轴系电机预留余量，所述伺服控制方法的具体步骤如下：
步骤一，建立航空稳定平台三个轴系电机其中一个电机模型；
步骤二，拟定区间阈值对载荷进行分档，依据各载荷区间的下限值分别求解伺服系统控制器的伺服控制参数；
步骤三，在加载光学载荷之前，确定光学载荷重量，通过控制界面选择光学载荷所在载荷区间并输入给稳定平台，稳定平台接收后自动选取所述载荷区间对应的控制器及其伺服控制参数；
步骤四，控制界面发送稳定平台的控制指令，稳定平台相应轴系进行正弦运动，控制界面实时接收稳定平台反馈的轴系速度值并显示出速度曲线；通过控制界面对伺服控制参数进行微调，直至达到预想速度曲线，由此获取特定载荷重量下对应的伺服控制参数；
步骤五，重复上述步骤一至步骤四，分别获取剩余两个轴系电机对应的伺服控制参数，利用伺服控制参数对航空稳定平台进行控制。
进一步地，所述伺服控制参数是根据伺服控制参数与电机模型的函数关系求解出来的。
进一步地，所述电机模型简化为一阶模型：
Figure BDA0001408956060000021
K为电机模型的增益参数，T为电机模型的时间参数，s为拉普拉斯变换的算子；并采用阶跃响应法拟合出各载荷区间下限重量所对应的模型参数。
进一步地，步骤二具体操作过程如下：
步骤201，依次将具有载荷区间下限重量的等效载荷加载于稳定平台上；
步骤202，通过拟合出的各载荷区间下限重量所对应的模型参数Ki和Ti，i＝1，2，……，n，其中，n为载荷区间的档位总数，i为第i档，建立控制器的伺服控制参数与系统模型的函数关系；
步骤203，根据模型参数Ki和Ti以及所述函数关系分别求解不同载荷区间对应的控制器参数。
进一步地，所述伺服控制参数与电机模型的函数关系为
Figure BDA0001408956060000031
式中，Kci为控制器的增益参数，Tci为控制器的低频段时间参数，Tc′i为控制器的高频段时间参数。
进一步地，所述微调以根据A′＝0.707A为目标进行调整，A为速度曲线的预设幅值，A′为速度曲线的实际输出幅值。
有益效果：
1、本发明依据载荷重量进行分档，针对每档重量区间进行参数设计，选取载荷重量对应的区间，以对应区间下限值的参数为粗调参数，通过交互界面直接调整微调参数，实现良好的伺服控制性能；而且本方法操作简便，计算时间短，采用力矩余量较大的力矩电机实现可调节负载范围大，提高了稳定平台载荷承载效率，解决了稳定平台通用性差的问题。
2、本发明轴系电机模型采用阶跃响应法建立，实现过程简单，采集数据方便。
3、本发明进行微调时，以A(ω)＝0.707A(0)为目标来调整能快速从速度曲线上反映出来，直观明显，便于操作。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明稳定平台的工作原理图；
图3为摇摆台以3°0.2Hz正弦运动时，稳定平台最大带载重量和最小带载重量情况下视轴稳定情况。
其中，1-稳定平台，2-载荷转接筒，3-光学载荷，4-供电电源，5-控制电脑，6-控制电缆，7-供电电缆。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法，该方法所采用的装置包括稳定平台1、载荷转接筒2、光学载荷3、供电电源4、控制电脑5、控制电缆6及供电电缆7，如图2所示。
稳定平台1有俯仰、偏航、滚转三个轴向运动，三个轴系电机分别驱动稳定平台1三个方向的轴向运动，轴系电机力矩预留余量，以稳定平台1加载负载的上限值为依据选取轴系电机力矩；稳定平台1的框架均为孔洞形式，即俯仰框架、偏航框架、滚转框架上设有孔洞结构，并通过载荷转接筒2与外部光学载荷3连接；稳定平台1与控制界面通过串口连接；偏航框架中设有陀螺仪，用于测量稳定平台1视轴相对于惯性空间的旋转角速度为控制界面提供反馈；供电电源4通过供电电缆7向稳定平台1供电，稳定平台1与控制电脑5通过控制电缆6进行数据通讯。
伺服控制方法的具体步骤如下：
步骤一，将各轴系电机模型简化为一阶模型，建立的电机模型如下：
Figure BDA0001408956060000041
K为电机模型的增益参数，T为电机模型的时间参数，s为拉普拉斯变换的算子；模型参数随加载载荷重量的增加而改变。
步骤二，稳定平台1加载的光学载荷3重量为5KG到95KG，拟定以10KG为区间阈值进行分档，分别为5KG～15KG即重量档一、15KG～25KG即重量档二、25KG～35KG即重量档三……依次类推共分为9档；然后依据各载荷区间的下限值分别求解控制器参数；
步骤201，依次将具有载荷区间下限重量的等效载荷加载于稳定平台1上；以重量档一(5KG～15KG)为例，即在稳定平台1上加载与光学载荷3等效的载荷5KG；
步骤202，设定采样时间Ts＝0.001，采集系统阶跃区间数据进行分析，采用阶跃响应法拟合出此重量条件下电机模型参数K1和T1，并建立控制器的伺服控制参数与电机模型的函数，函数关系为：
Figure BDA0001408956060000051
式中，Kc1为重量档一内控制器的增益参数，Tc1为重量档一内控制器的低频段时间参数，Tc′1为重量档一内控制器的高频段时间参数。
步骤203，根据模型参数K1和T1以及上述函数关系式求解控制器参数；将此控制器的伺服控制参数写入伺服控制程序，主要针对重量档一(5KG～15KG)区间的载荷进行伺服控制。
通过控制系统依次拟合出其他载荷区间下限重量所对应的模型参数Ki和Ti，i＝1，2，……，n，其中，n为载荷区间的档位总数，i为第i档；其他重量档位的控制器Gci(s)(i＝1、2、…9)求出后也写入伺服控制程序，如图1所示，即为粗调参数。
步骤三，在加载光学载荷3之前，确定光学载荷3重量，在控制界面上存在选择重量档位按键，通过控制界面选择光学载荷3所在载荷区间并输入给稳定平台1，稳定平台1接收后自动选取光学载荷3的载荷区间对应的控制器，将该控制器对应的粗调参数调出，同时也是伺服参数微调的基础参数。
步骤四，控制界面发送稳定平台1的控制指令，稳定平台1相应轴系进行正弦运动，控制界面实时接收稳定平台1反馈的轴系速度值并显示出速度曲线；通过控制界面上的按键对伺服控制参数Kc1′进行微调，Kc1′为伺服控制参数的微调参数，通过观察稳定平台1的速度曲线直至达到预想速度曲线，即可得出此重量条件下最适合的伺服控制参数，即微调参数。Kc1′初始值为0，通过控制界面上的按键调节微调参数，与粗调参数共同控制航空稳定平台。
在进行微调时，以A′＝0.707A为目标，预先设定好所需达到的幅值，通过控制界面上的按键调节并观察控制界面，直至输出的速度曲线的幅值满足所设定的幅值，同时微调参数Kc1′相应改变。式中，A为速度曲线的预设幅值，A′为速度曲线的实际输出幅值。
步骤五，重复上述步骤一至步骤四，分别获取剩余两个轴系电机对应的伺服控制参数。
图3为摇摆台以3°0.2HZ正弦运动时，稳定平台1加载95KG重量载荷时视轴稳定情况。稳定平台1视轴稳定精度峰值0.3毫弧度，此稳定精度针对整个重量范围有效，此伺服控制方法适用于宽负载航空稳定平台，具有实际应用价值。摇摆台为外部模拟干扰振动的装置。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法，其特征在于，稳定平台的轴系电机力矩预留余量，所述伺服控制方法的具体步骤如下：
步骤一，建立航空稳定平台三个轴系电机其中一个电机模型；
步骤二，拟定区间阈值对载荷进行分档，依据各载荷区间的下限值分别求解伺服系统控制器的伺服控制参数；
步骤三，在加载光学载荷之前，确定光学载荷重量，通过控制界面选择光学载荷所在载荷区间并输入给稳定平台，稳定平台接收后自动选取所述载荷区间对应的控制器及其伺服控制参数；
步骤四，控制界面发送稳定平台的控制指令，稳定平台相应轴系进行正弦运动，控制界面实时接收稳定平台反馈的轴系速度值并显示出速度曲线；通过控制界面对伺服控制参数进行微调，直至达到预想速度曲线，由此获取特定载荷重量下对应的伺服控制参数；
步骤五，重复上述步骤一至步骤四，分别获取剩余两个轴系电机对应的伺服控制参数，利用伺服控制参数对航空稳定平台进行控制。
2.如权利要求1所述的宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法，其特征在于，所述伺服控制参数是根据伺服控制参数与电机模型的函数关系求解出来的。
3.如权利要求2所述的宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法，其特征在于，所述电机模型简化为一阶模型：
Figure FDA0002485946850000011
K为电机模型的增益参数，T为电机模型的时间参数，s为拉普拉斯变换的算子；并采用阶跃响应法拟合出各载荷区间下限重量所对应的模型参数。
4.如权利要求3所述的宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法，其特征在于，步骤二具体操作过程如下：
步骤201，依次将具有载荷区间下限重量的等效载荷加载于稳定平台上；
步骤202，通过拟合出的各载荷区间下限重量所对应的模型参数Ki和Ti，i＝1，2，……，n，其中，n为载荷区间的档位总数，i为第i档，建立控制器的伺服控制参数与系统模型的函数关系；
步骤203，根据模型参数Ki和Ti以及所述函数关系分别求解不同载荷区间对应的控制器参数。
5.如权利要求2所述的宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法，其特征在于，所述伺服控制参数与电机模型的函数关系为
Figure FDA0002485946850000021
式中，Kci为控制器的增益参数，Tci为控制器的低频段时间参数，Tc′i为控制器的高频段时间参数。
6.如权利要求1所述的宽负载条件下航空稳定平台伺服控制方法，其特征在于，所述微调以根据A′＝0.707A为目标进行调整，A为速度曲线的预设幅值，A′为速度曲线的实际输出幅值。
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