CN110376880A - 一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航天测控技术领域,具体为一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台方法及系统,其中的方法包括在传统PID调节的基础上,增加速度前馈,加速度前馈,此信号由载机姿态信息提供,使得伺服系统获得快速的动态响应,结合传统的PID控制算法,既保证了系统的准确性,同时也保证了系统的快速性;其中的系统包括GPS模块、三轴陀螺仪、姿态仪、控制器、驱动器、直驱电机与通信天线,能够实现对目标位置的准确定位和载机姿态信息的传输,为控制器提供前馈信号。
Description
技术领域
本发明涉及航天测控技术领域,具体为一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台方法及系统。
背景技术
在机载环境下,为了能够在远距离情况将载机设备采集的图像等信号通过载机的微波传输设备实时传输到地面进行处理和决策,需要保证载机在运动过程中通信天线按一定的精度始终指向地面设备,就需要研制一种特殊的稳定跟踪伺服转台。
在伺服控制系统中,动态跟踪始终是伺服控制系统的一个难点,由于伺服系统自身的强耦合、非线性时变等特征,难以建立精确的数学模型,从而难以实现伺服的动态位置跟踪。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台方法及系统,针对伺服系统实际应用中的基本要求以及控制存在的主要问题,鉴于常规PID算法无法同时满足伺服系统快速性与准确性的要求,同时综合考虑工程领域常用的PID算法,引入前馈加快系统响应时间,弥补系统的相位滞后,通过位置反馈的单环结构,提高位置随动系统的快速性。
(二)技术方案
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台方法,包括以下步骤:
步骤1:获取转台的当前位置信息、地面目标设备的当前位置信息与载机姿态信息;
步骤2:根据步骤1中转台的当前位置信息与地面目标设备的当前位置信息,计算出转台需要转动的位置信息,根据步骤1中的载机姿态信息,计算出载机的速度信号和加速度信号;
步骤3:将步骤2中计算出的转台需要转动的位置信息、速度信号和加速度信号传输给控制器,经过控制器内部的G1(s)、G2(s)、G3(s)和F(s)四个传递函数计算,得到控制转台转动的位置控制指令;其中G1(s)为PID校正环节传递函数,G2(s)功率驱动环节传递函数,G3(s)为伺服电机传递函数,在G1(s)与G2(s)之间增加前馈F(s),用于加快系统的相应时间。
通过采用上述技术方案,在传统PID调节的基础上,增加速度前馈控制算法,使得伺服系统获得快速的动态响应,结合传统的PID控制算法,既保证了系统的准确性,同时也保证了系统的快速性。
优选的,所述前馈F(s)包括速度前馈与加速度前馈,加入速度前馈信号用于补偿在速度输入时的稳态误差,加入加速度前馈信号用于补偿加速度输入时的稳态误差。
通过采用上述技术方案,前馈控制加快了系统的响应速度,弥补系统的相位滞后。
优选的,所述G1(s)、G2(s)和G3(s)三个环节传递函数表示为:
优选的,加入前馈F(s)系统的闭环传递函数为:
所述即系统输出信号复现,满足伺服位置随动系统的要求。
一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台系统,包括GPS模块、三轴陀螺仪、姿态仪、控制器、驱动器、直驱电机与通信天线;
所述GPS模块、三轴陀螺仪与所述控制器连接,用于传输转台的当前位置与地面目标设备的当前位置;
所述姿态仪与所述控制器连接,用于传输载机姿态信息;
所述控制器连接有驱动器,所述控制器根据GPS模块与三轴陀螺仪传输的转台的当前位置信息与地面目标设备的当前位置信息,计算出转台需要转动的位置信息,根据姿态仪传输的载机姿态信息,计算出载机的速度信号和加速度信号,转台需要转动的位置信息、速度信号和加速度信号经过控制器内部的G1(s)、G2(s)、G3(s)和F(s)四个传递函数计算,得到控制转台转动的位置控制指令,所述控制器将位置控制指令传输给驱动器;
其中G1(s)为PID校正环节传递函数,G2(s)功率驱动环节传递函数,G3(s)为伺服电机传递函数,在G1(s)与G2(s)之间增加前馈F(s),用于加快系统的相应时间,
各环节传递函数表示为:
所述驱动器连接有直驱电机,用于控制直驱电机转动;
所述直驱电机输出端连接有通信天线,用于调整通信天线的位置。
通过采用上述技术方案,三轴陀螺仪与GPS模块用来确定转台和地面目标设备的相对位置,计算出转台要转动的位置信息传输给控制器,姿态仪测出机载姿态信息传输给控制器,控制器内部经过PID和速度前馈控制算法计算出转台最终需要转动的位置信息,传输位置控制指令给驱动器,驱动器带动直驱电机转动,直驱电机带动通信天线转动,使得通信天线始终对着地面目标设备。
优选的,所述三轴陀螺仪与所述GPS模块连接。
通过采用上述技术方案,轴陀螺仪与所述GPS模块连接,可以提高定位的精度。
优选的,所述通信天线将自身位置信息反馈给控制器形成闭环系统。
通过采用上述技术方案,通信天线将自己位置信息不断的反馈给控制器,方便控制器通过内部算法持续纠正转台的位置,使得通信天线能一直指向地面通信设备。
本发明具备以下有益效果:
1、采用速度前馈可以通过开环控制特性来加快伺服系统的速度响应。
2、当加大速度前馈增益时,可以减少位置环对位置误差的积累,从而加快补偿速度。
3、加入速度前馈信号可以补偿在速度输入时的稳态误差,加入加速度前馈信号可以补偿加速度输入时的稳态误差,前馈控制加快了系统的响应速度,弥补系统的相位滞后。
附图说明
图1为本发明带前馈控制环节后系统控制结构图;
图2为本发明的系统流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:
1.一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台方法,包括以下步骤:
步骤1:获取转台的当前位置信息、地面目标设备的当前位置信息与载机姿态信息;
步骤2:根据步骤1中转台的当前位置信息与地面目标设备的当前位置信息,计算出转台需要转动的位置信息,根据步骤1中的载机姿态信息,计算出载机的速度信号和加速度信号;
步骤3:将步骤2中计算出的转台需要转动的位置信息、速度信号和加速度信号传输给控制器,经过控制器内部的G1(s)、G2(s)、G3(s)和F(s)四个传递函数计算,得到控制转台转动的位置控制指令;其中G1(s)为PID校正环节传递函数,G2(s)功率驱动环节传递函数,G3(s)为伺服电机传递函数,在G1(s)与G2(s)之间增加前馈F(s),用于加快系统的相应时间;
所述前馈F(s)包括速度前馈与加速度前馈,加入速度前馈信号用于补偿在速度输入时的稳态误差,加入加速度前馈信号用于补偿加速度输入时的稳态误差。
所述G1(s)、G2(s)和G3(s)三个环节传递函数表示为:
加入前馈F(s)系统的闭环传递函数为:
所述即系统输出信号复现,满足伺服位置随动系统的要求。
未加入前馈F(s)系统的闭环传递函数为:
通过比较和可以得到加入前馈环节后并不影响系统的稳定性。
综上所述,本发明通过在控制器内采用速度前馈控制系统与经典PID调节控制系统的结合,使得伺服系统获得快速的动态响应,既保证了系统的准确性,同时也保证了系统的快速性。
实施例2:
如图2所示,一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台系统,包括GPS模块、三轴陀螺仪、姿态仪、控制器、驱动器、直驱电机与通信天线;所述GPS模块、三轴陀螺仪与所述控制器连接,用于传输转台的当前位置与地面目标设备的当前位置;所述姿态仪与所述控制器连接,用于传输载机姿态信息;
所述控制器连接有驱动器,所述控制器根据GPS模块与三轴陀螺仪传输的转台的当前位置信息与地面目标设备的当前位置信息,计算出转台需要转动的位置信息,根据姿态仪传输的载机姿态信息,计算出载机的速度信号和加速度信号,转台需要转动的位置信息、速度信号和加速度信号经过控制器内部的G1(s)、G2(s)、G3(s)和F(s)四个传递函数计算,得到控制转台转动的位置控制指令,所述控制器将位置控制指令传输给驱动器;
其中G1(s)为PID校正环节传递函数,G2(s)功率驱动环节传递函数,G3(s)为伺服电机传递函数,在G1(s)与G2(s)之间增加前馈F(s),用于加快系统的相应时间,
各环节传递函数表示为:
所述驱动器连接有直驱电机,用于控制直驱电机转动,所述直驱电机输出端连接有通信天线,用于调整通信天线的位置,驱动器带动直驱电机转动,直驱电机带动通信天线转动,使得通信天线始终对着地面目标设备。
可以理解的是,所述三轴陀螺仪与所述GPS模块连接,用于提高定位的精度。
需要说明的是,所述载机姿态信息包括载机速度信息和载机加速度信息,所述控制器采用PID和速度前馈控制算法,在传统PID调节的基础上,增加速度前馈,加速度前馈,使得伺服系统获得快速的动态响应,结合传统的PID控制算法,既保证了系统的准确性,同时也保证了系统的快速性。
可以理解的是,所述通信天线将自身位置信息反馈给控制器形成闭环系统,通信天线将自身的位置信息反馈到控制器,控制器可以通过内部算法不断调整转台的转动,使得通信天线可以一直指向地面设备信息。。
本发明的工作原理为:通过GPS模块和三轴陀螺仪确定转台和目标的相对位置,计算出转台要控制通信天线转动的位置信息;通过姿态仪测量载机姿态信息,将要转动的位置信息和载机姿态信息传输给控制器,控制器内部在传统PID调节的基础上,增加速度前馈,加速度前馈,此信号由载机姿态信息提供,使得伺服系统获得快速的动态响应,结合传统的PID控制算法,既保证了系统的准确性,同时也保证了系统的快速性,控制器将优化过的控制指令传输给驱动器,驱动器控制直驱电机转动,直驱电机带动通信天线转动,使得通信天线始终指向地面目标设备,通信天线将自身位置信息传输给控制器进行反馈,形成闭环系统。
需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:获取转台的当前位置信息、地面目标设备的当前位置信息与载机姿态信息;
步骤2:根据步骤1中转台的当前位置信息与地面目标设备的当前位置信息,计算出转台需要转动的位置信息,根据步骤1中的载机姿态信息,计算出载机的速度信号和加速度信号;
步骤3:将步骤2中计算出的转台需要转动的位置信息、速度信号和加速度信号传输给控制器,经过控制器内部的G1(s)、G2(s)、G3(s)和F(s)四个传递函数计算,得到控制转台转动的位置控制指令;其中G1(s)为PID校正环节传递函数,G2(s)功率驱动环节传递函数,G3(s)为伺服电机传递函数,在G1(s)与G2(s)之间增加前馈F(s),用于加快系统的相应时间。
2.根据权利要求1所述的一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台方法,其特征在于:所述前馈F(s)包括速度前馈与加速度前馈,加入速度前馈信号用于补偿在速度输入时的稳态误差,加入加速度前馈信号用于补偿加速度输入时的稳态误差。
3.根据权利要求1所述的一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台方法,其特征在于:所述G1(s)、G2(s)和G3(s)三个环节传递函数表示为:
4.根据权利要求1所述的一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台方法,其特征在于:加入前馈F(s)系统的闭环传递函数为:
所述即系统输出信号复现,满足伺服位置随动系统的要求。
5.一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台系统,其特征在于:包括GPS模块、三轴陀螺仪、姿态仪、控制器、驱动器、直驱电机与通信天线;
所述GPS模块、三轴陀螺仪与所述控制器连接,用于传输转台的当前位置与地面目标设备的当前位置;
所述姿态仪与所述控制器连接,用于传输载机姿态信息;
所述控制器连接有驱动器,所述控制器根据GPS模块与三轴陀螺仪传输的转台的当前位置信息与地面目标设备的当前位置信息,计算出转台需要转动的位置信息,根据姿态仪传输的载机姿态信息,计算出载机的速度信号和加速度信号,转台需要转动的位置信息、速度信号和加速度信号经过控制器内部的G1(s)、G2(s)、G3(s)和F(s)四个传递函数计算,得到控制转台转动的位置控制指令,所述控制器将位置控制指令传输给驱动器;
其中G1(s)为PID校正环节传递函数,G2(s)功率驱动环节传递函数,G3(s)为伺服电机传递函数,在G1(s)与G2(s)之间增加前馈F(s),用于加快系统的相应时间,
各环节传递函数表示为:
所述驱动器连接有直驱电机,用于控制直驱电机转动;
所述直驱电机输出端连接有通信天线,用于调整通信天线的位置。
6.根据权利要求5所述的一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台系统,其特征在于:所述三轴陀螺仪与所述GPS模块连接。
7.根据权利要求5所述的一种机载高精度轴稳定跟踪伺服转台系统,其特征在于:所述通信天线将自身位置信息反馈给控制器形成闭环系统。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191025 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |