CN109814614A - 一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法 - Google Patents

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文云
向学辅
刘启辉
陈浩
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Abstract

本发明公开了一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法：(A)建立车体空间直角坐标系、伺服稳定平台的球坐标系；(B)将三个速率陀螺固定在平台底座的安装基准面上，分别用于敏感车体的航向角速度、纵摇角速度、横摇角速度；(C)将速率陀螺敏感车体的各角速度投影到伺服稳定平台的方位轴和俯仰轴上；(D)将投影后的角速度、角速度积分分别补偿到控制回路的速度环、位置环。本发明可消除非线性干扰的影响，使速度环路校正器获得增益，提高系统带宽和抗扰动能力，陀螺积分产生的漂移通过手柄或图像取差器消除；敏感车体扰动的速率陀螺数据也可提供给车上其他伺服控制设备，相比反馈稳定方式，减少了安装的速率陀螺数量，降低了设备成本。

Description

一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法
技术领域
本发明涉及伺服稳定控制技术领域，具体涉及一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法。
背景技术
行进间目标精确打击一直是提高部队作战效率，增强武器装备自我防护能力的重要指标，是未来陆战装备的主要发展方向，近年来许多战术导弹武器系统、遥控武器站和坦克都将行进间射击作为考核系统作战能力的重要功能指标。瞄准/射击线稳定技术是实现行进间射击、提高行进间射击精度的主要环节，它采用搭载观瞄和武器装备的稳定平台隔离车体航向、纵摇和横摇三个轴向的扰动，使瞄准/射击线在惯性空间下保持稳定。
伺服稳定平台通常采用反馈式稳定控制方法，将速率陀螺分别正交安装在稳定平台的各旋转轴上，敏感其相对惯性空间的旋转角速度，作为稳定环的反馈输入，实现平台的稳定。受重量、体积和功耗限制，伺服稳定平台多采用含减速机构的传动方式，使低功率的高速交流伺服电机输出更大的力矩，保证各旋转轴的加速和抗扰动能力。但含减速机构的传动机构引入了传动间隙、齿隙波动、弹性形变等非线性干扰，并叠加到速率陀螺的反馈速度中，降低了稳定环控制器的增益，当谐振频率较低时甚至会导致系统振荡，影响稳定控制性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，以解决现有技术中非线性干扰对平台稳定控制造成影响的问题，实现伺服稳定平台的高精度稳定控制的目的。
针对现有技术中非线性干扰对平台稳定控制造成影响的问题，本发明提出一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，本方法的发明思路是：将三个速率陀螺安装在稳定平台底座上，分别敏感车体航向、纵摇和横摇三个轴向的角速度干扰，经坐标转换投影到伺服稳定平台的方位和俯仰轴，通过将投影后的角速度以及角速度积分补偿到速度和位置环路输入端，达到隔离车体扰动，保证平台惯性空间稳定的目的。
为达到以上目的，本发明采取如下技术方案：
一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，包括以下步骤：
(A)建立车体空间直角坐标系、伺服稳定平台的球坐标系；
(B)将三个速率陀螺固定在平台底座的安装基准面上，分别用于敏感车体的航向角速度、纵摇角速度、横摇角速度；
(C)将速率陀螺敏感车体的各角速度投影到伺服稳定平台的方位轴和俯仰轴上；
(D)将投影后的角速度、角速度积分分别补偿到控制回路的速度环、位置环。
所述速率陀螺为单轴速率陀螺仪。
步骤(A)中车体空间直角坐标系按照“右-前-上”的右手坐标系法则建立，通过坐标平移使车体坐标系原点与伺服稳定平台球坐标系圆心重合。
进一步的，车体空间直角坐标系(b系)遵循“右手原则”，X-Y-Z轴分别对应车体的“右-前-上”，航向角速度为沿Z轴方向旋转，顺时针为正；纵摇角速度为沿X轴方向旋转，顺时针为正；横摇角速度为沿Y轴方向旋转，顺时针为正。平台球坐标系d-α-β(t系)，d为稳定平台观瞄装置向目标方向伸展的射线(瞄准线)；α是方位角，为d射线在X-Y平面的投影与Y轴的夹角，右向为正，范围为[-180°,180°]；β是俯仰角，为d射线与X-Y平面的夹角，向上为正，范围为[-90°,90°]。
为降低系统误差，对安装基准面的正交性和一致性作明确要求：X轴陀螺敏感轴与车体系的X轴方向一致，用于敏感纵摇角速度；Y轴陀螺敏感轴与车体系的Y轴方向一致，用于敏感横摇角速度；Z轴陀螺敏感轴与车体系的Z轴方向一致，用于敏感航向角速度。
三个速率陀螺的安装基准面的正交性精度≤0.1mil，各速率陀螺敏感轴与车体空间直角坐标系轴的一致性≤0.1mil。即是三个速率陀螺的安装基准面的正交性精度优于0.1mil，各速率陀螺敏感轴与车体空间直角坐标系轴的一致性优于0.1mil。
步骤(C)中采用如下投影公式：其中：
αt为伺服稳定平台方位角，βt为伺服稳定平台俯仰角；为车体扰动角速度投影到伺服稳定平台方位轴的角速度；为车体扰动角速度投影到伺服稳定平台俯仰轴的角速度；为X轴陀螺敏感的纵摇角速度；为Y轴陀螺敏感的横摇角速度；为Z轴陀螺敏感的航向角速度。
即是令X轴陀螺敏感的纵摇角速度为Y轴陀螺敏感的横摇角速度为Z轴陀螺敏感的航向角速度为车体扰动角速度投影到伺服稳定平台方位轴的角速度由航向角速度在方位轴的投影的正割补偿，以及纵摇和横摇在方位轴的横滚(正切)补偿两部分组成；车体扰动角速度投影到伺服稳定平台俯仰轴的角速度由纵摇和横摇在俯仰轴的投影组成。
步骤(D)中角速度、角速度积分分别补偿到控制回路的速度环、位置环的方法为：
将补偿到伺服稳定平台方位控制回路速度环输入中，对进行积分，将积分得到的位置偏差补偿到控制回路位置环输入中；将补偿到伺服稳定平台俯仰控制回路速度环输入中，对进行积分，将积分得到的位置偏差补偿到控制回路位置环输入中。具体公式为：
其中：为伺服稳定平台方位控制回路速度环输入；为伺服稳定平台俯仰控制回路速度环输入；为伺服稳定平台方位控制回路位置环输入；为伺服稳定平台俯仰控制回路位置环输入；为积分得到的方位位置偏差，为积分得到的俯仰位置偏差；为方位旋变速度，为方位旋变位置；为俯仰旋变速度，为俯仰旋变位置；为伺服稳定平台方位位置环控制输出，为伺服稳定平台俯仰位置环控制输出；为图像取差器给定的方位位置偏差量，为图像取差器给定的俯仰位置偏差量；τ为系统采样控制周期。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，可消除传动系统非线性干扰对稳定控制回路的影响，使速度环路校正器获得较大的增益，提高系统带宽和抗扰动能力，陀螺积分产生的漂移通过图像取差器消除，可广泛用于战术导弹稳定发射平台、遥控武器站中，也适用于其他有稳定控制需求的民用领域。
2、本发明一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，敏感车体扰动的速率陀螺数据也可提供给车上其他伺服控制设备，相比反馈稳定方式，减少了安装的速率陀螺数量，显著降低了设备成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明具体实施例中车体坐标系和平台球坐标系示意图。
图2为本发明具体实施例中稳定控制回路的控制原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：
一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，包括：
(A)建立车体的空间直角坐标系和伺服稳定平台的球坐标系，如图1所示，Ob-XbYbZb为车体空间直角坐标系(b系)，Ob为原点与车体质心重合，Xb为指向车体右方，Yb为指向车体前方，Zb为指向车体上方，车体空间直角坐标系满足“右手原则”，沿各坐标轴方向顺时针旋转速度为正。伺服稳定平台球坐标系dt-αt-βt(t系)为以方位和俯仰回转轴线的交点为圆心，以瞄准线上的任意点P到圆心Ot的距离为半径，方位角αt为OtP到Xb-Yb的投影与Yb轴的夹角，向右为正，范围为[-180°,180°]；俯仰角βt为OtP与Xb-Yb平面的夹角，向上为正，范围为[-90°,90°]。
坐标系的平移不影响角度指向，因此将车体坐标系原点Ob平移到球坐标系圆形Ot处。
(B)将三个单轴速率陀螺固定在伺服稳定平台底座安装基准面上，为减小系统误差，规定三个安装基准面的正交性精度优于0.1mil，速率陀螺敏感轴与车体空间直角坐标系轴的一致性优于0.1mil。X轴速率陀螺敏感车体纵摇角速度，Y轴陀螺敏感车体横摇角速度，Z轴陀螺敏感车体航向角速度，速率陀螺的安装方式与车体坐标系方向一致。
(C)通过坐标转换，将车体旋转角速度，投影到伺服稳定平台的方位轴和俯仰轴，得到方位和俯仰的补偿角速度；
X轴陀螺敏感的纵摇角速度为Y轴陀螺敏感的横摇角速度为Z轴陀螺敏感的航向角速度为车体扰动角速度投影到伺服稳定平台方位轴的角速度由航向角速度在方位轴的投影的正割补偿，以及纵摇和横摇在方位轴的横滚(正切)补偿两部分组成；车体扰动角速度投影到伺服稳定平台俯仰轴的角速度由纵摇和横摇在俯仰轴的投影组成。投影公式为：
(D)如图2所示，将补偿到伺服稳定平台方位控制回路速度环输入中，对进行积分，将积分得到的位置偏差补偿到控制回路位置环输入中；将补偿到伺服稳定平台俯仰控制回路速度环输入中，对进行积分，将积分得到的位置偏差补偿到控制回路位置环输入中。
上式中和为方位旋变速度和位置，和为俯仰旋变速度和位置，和为方位和俯仰位置环控制输出，为图像取差器给定的方位位置偏差量，为图像取差器给定的俯仰位置偏差量，用于消除陀螺的积分误差，τ为系统采样控制周期，为了满足系统同步，采样周期与控制周期必然一样，因此τ直接取为采样控制周期即可。本实施例中伺服稳定平台的控制频率为1kHz，因此τ＝1ms。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(A)建立车体空间直角坐标系、伺服稳定平台的球坐标系；
(B)将三个速率陀螺固定在平台底座的安装基准面上，分别用于敏感车体的航向角速度、纵摇角速度、横摇角速度；
(C)将速率陀螺敏感车体的各角速度投影到伺服稳定平台的方位轴和俯仰轴上；
(D)将投影后的角速度、角速度积分分别补偿到控制回路的速度环、位置环。
2.根据权利要求1所述的一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，其特征在于，所述速率陀螺为单轴速率陀螺仪。
3.根据权利要求1所述的一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，其特征在于，步骤(A)中车体空间直角坐标系按照“右-前-上”的右手坐标系法则建立，通过坐标平移使车体坐标系原点与伺服稳定平台球坐标系圆心重合。
4.根据权利要求1所述的一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，其特征在于，步骤(B)中所述安装基准面满足如下正交性和一致性要求：X轴陀螺敏感轴与车体系的X轴方向一致，用于敏感纵摇角速度；Y轴陀螺敏感轴与车体系的Y轴方向一致，用于敏感横摇角速度；Z轴陀螺敏感轴与车体系的Z轴方向一致，用于敏感航向角速度。
5.根据权利要求4所述的一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，其特征在于，三个速率陀螺的安装基准面的正交性精度≤0.1mil，各速率陀螺敏感轴与车体空间直角坐标系轴的一致性≤0.1mil。
6.根据权利要求1所述的一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，其特征在于，步骤(C)中采用如下投影公式：
其中：
αt为伺服稳定平台方位角，βt为伺服稳定平台俯仰角；
为车体扰动角速度投影到伺服稳定平台方位轴的角速度；为车体扰动角速度投影到伺服稳定平台俯仰轴的角速度；
为X轴陀螺敏感的纵摇角速度；为Y轴陀螺敏感的横摇角速度；为Z轴陀螺敏感的航向角速度。
7.根据权利要求6所述的一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，其特征在于，步骤(D)中角速度、角速度积分分别补偿到控制回路的速度环、位置环的方法为：
将车体扰动角速度投影到伺服稳定平台方位轴的角速度补偿到伺服稳定平台方位控制回路速度环输入中，对车体扰动角速度投影到伺服稳定平台方位轴的角速度进行积分，将积分得到的位置偏差补偿到控制回路位置环输入中；
将车体扰动角速度投影到伺服稳定平台俯仰轴的角速度补偿到伺服稳定平台俯仰控制回路速度环输入中，对车体扰动角速度投影到伺服稳定平台俯仰轴的角速度进行积分，将积分得到的位置偏差补偿到控制回路位置环输入中。
8.根据权利要求7所述的一种伺服稳定平台的补偿式稳定控制方法，其特征在于，步骤(D)中角速度、角速度积分分别补偿到控制回路的速度环、位置环的公式为：
其中：
为伺服稳定平台方位控制回路速度环输入；为伺服稳定平台俯仰控制回路速度环输入；为伺服稳定平台方位控制回路位置环输入；为伺服稳定平台俯仰控制回路位置环输入；
为积分得到的方位位置偏差，为积分得到的俯仰位置偏差；
为方位旋变速度，为方位旋变位置；
为俯仰旋变速度，为俯仰旋变位置；
为伺服稳定平台方位位置环控制输出，为伺服稳定平台俯仰位置环控制输出；
为图像取差器给定的方位位置偏差量，为图像取差器给定的俯仰位置偏差量；
τ为系统采样控制周期。
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