CN111175838A - 一种惯性平台式重力仪温控系统高精度建模控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种惯性平台式重力仪温控系统高精度建模控制方法,将海空重力仪中平台台体、陀螺、重力敏感器的温控精度提高到优于0.01℃,进而满足海空重力仪的高精度测量需要,包括以下几个步骤:第一步:温控对象建模;第二步:温度控制方法;第三步:温控参数整定。本发明的优点是,针对海空重力仪平台内部台体、陀螺和重力敏感器各温控对象结构紧凑、温度耦合严重等不利因素,通过温控对象精确建模、非线性控制方法,使平台台体、陀螺和重力敏感器等三个通道均实现了高精度的温度控制,进而大大提高了海空重力仪的环境适应性和重力测量精度。
Description
技术领域
本发明属于一种温控系统高精度建模控制方法,具体涉及一种惯性平台式重力仪温控系统的高精度建模控制方法。
背景技术
惯性平台式海空重力仪需要对其平台台体、陀螺尤其是重力敏感器进行高精度的温度控制,以降低环境温度对重力测量的影响。海空重力仪的温度控制系统采用直流加温片对各温控部件进行加温。海空重力仪通电启动后,各温控部件的当前温度与目标温度偏差较大,温控系统以最大功率进行输出,保证加温的快速性;待温度偏差缩小到一定范围内后,温控系统采用参数精确整定的非线性PI控制方法,保证温度控制的高精度。首先,针对海空重力仪平台台体、陀螺以及重力敏感器结构紧凑、温度耦合严重的特点,进行精确的温控系统建模,在精确建模的基础上,进一步利用非线性控制方法实现快速、高精度的温度控制,从而提高海空重力仪的温控精度和重力测量精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种惯性平台式重力仪温控系统高精度建模控制方法,将海空重力仪中平台台体、陀螺、重力敏感器的温控精度提高到优于0.01℃,进而满足海空重力仪的高精度测量需要。
本发明是这样实现的,一种惯性平台式重力仪温控系统高精度建模控制方法,包括以下几个步骤:
第一步:温控对象建模;
第二步:温度控制方法;
第三步:温控参数整定。
所述的第一步包括,海空重力仪的温控对象由外到内分别为平台台体、陀螺和重力敏感器,建立各温控对象的数学模型需要获得各对象在重力仪平台内部温度耦合严重情况下的传递函数。
所述的第一步包括以下步骤,
(1)利用温箱设置海空重力仪平台台体的环境温度为62℃,其目标温控点设置为74.5℃,即平台台体的温升为12.5℃,对平台台体施加加温电压,对陀螺、重力敏感器不施加加温电压,使平台台体的温升大致为12.5℃,分别记录该加温电压值以及平台台体、陀螺和重力敏感器通道的温升值和温升曲线;
(2)利用温箱设置海空重力仪陀螺的环境温度为62℃,其目标温控点设置为75℃,即陀螺的温升为13℃。对陀螺施加加温电压,对平台台体、重力敏感器不施加加温电压,使陀螺的温升大致为13℃,分别记录该加温电压值以及平台台体、陀螺和重力敏感器通道的温升值和温升曲线;
(3)利用温箱设置海空重力仪重力敏感器的环境温度为70℃,其目标温控点设置为76℃,即重力敏感器的温升为6℃,对重力敏感器施加加温电压,对平台台体、陀螺不施加加温电压,使重力敏感器的温升大致为6℃,分别记录该加温电压值以及平台台体、陀螺和重力敏感器通道的温升值和温升曲线;
(4)根据1~3获得的测试数据,利用1阶或2阶系统进行拟合,得到平台台体、陀螺和重力敏感器三个通道温控对象的频域模型:
y=G(s)v (1)
其中,
其中,ytt平台台体温度温升值,ycb重力敏感器温度温升值,yct陀螺温度温升值,y平台台体、重力敏感器、陀螺三通道的温度温升值,vtt平台台体温控输入功率,vcb重力敏感器温控输入功率,vct陀螺温控输入功率,v平台台体、重力敏感器、陀螺三通道的温控输入功率,s为Laplace算子;G(s)为平台台体、重力敏感器、陀螺三通道温控对象的频域模型。
所述的第二步包括以下步骤,
(1)当各通道温度偏差较大时,为保证升温的快速性,采用最大功率进行加温,最大功率根据各通道加温功放电路确定,平台台体和陀螺的最大加温电压为45V,重力敏感器的最大加温电压为13V。根据各通道的热容量和温控点等参数,确定平台台体结束最大功率加温的温度点为72.5℃;陀螺结束的温度点为72℃;重力敏感器结束的温度点为73℃;
(2)当各通道的温度超过该通道结束最大功率加温的温度点后,采用非线性PI控制器进行温度控制,当温度偏差的绝对值大于设定的阈值时,采用比例控制,保证温度控制的快速性,又避免过大的控制超调;当温度偏差的绝对值小于该阈值后,引入积分环节,可以消除温度控制的静态误差,提高各通道的温控精度,根据各通道的温控模型,确定平台台体通道和陀螺通道引入积分环节的温度偏差阈值为0.4℃;重力敏感器通道的温度偏差阈值为0.5℃;
(3)得到各通道的非线性PI控制方法。
所述的第二步中的步骤(3)包括如下,
1)平台台体通道的温度控制
其中,t平台台体温度控制输出时刻,平台台体目标温度值,ypt(t)t时刻平台台体实测温度,ept(t)t时刻平台台体温度偏差,zpt(t)t时刻平台台体温度偏差的积分值,εpt引入积分环节的温度偏差阈值,平台台体积分饱和上限,kppt平台台体温控比例系数,kipt平台台体温控积分系数,vpt(t)t时刻平台台体加温功率,平台台体加温功率上限,upt(t)t时刻平台台体加温电压;
2)陀螺通道的温度控制
其中,t陀螺温度控制输出时刻,陀螺目标温度值,yct(t)t时刻陀螺实测温度,ect(t)t时刻陀螺温度偏差,zct(t)t时刻陀螺温度偏差的积分值,εct引入积分环节的温度偏差阈值,陀螺积分饱和上限,kpct陀螺温控比例系数,kict陀螺温控积分系数,vct(t)t时刻陀螺加温功率,陀螺加温功率上限,uct(t)t时刻陀螺加温电压;
3)重力敏感器通道的温度控制
其中,t重力敏感器温度控制输出时刻;重力敏感器目标温度值,ycb(t)t时刻重力敏感器实测温度;ecb(t)t时刻重力敏感器温度偏差;zcb(t)t时刻重力敏感器温度偏差的积分值;εcb引入积分环节的温度偏差阈值;重力敏感器积分饱和上限;kpcb重力敏感器温控比例系数;kicb重力敏感器温控积分系数;vcb(t)t时刻重力敏感器加温功率;重力敏感器加温功率上限;ucb(t)t时刻重力敏感器加温电压。
所述的第三步利用Simulink进行仿真整定非线性PI控制器的参数,根据海空重力仪平台的结构特性,由外到内分别整定平台台体、陀螺和重力敏感器的温控参数,即首先将陀螺和重力敏感器的温控输出均置为0,通过调整平台台体的温控参数kppt和kipt,直到平台台体通道的温控性能达到指标要求为止;其次,用相同的方法整定陀螺通道的温控参数kpct和kict,此时,平台台体通道应正常闭环控制,而重力敏感器通道的温控输出则继续置为0;最后,用相同的方法整定重力敏感器的温控参数kpcb和kicb,此时,平台台体通道和陀螺通道均应正常闭环控制。
所述的第三步中最终得到各通道的温控参数为,
1.平台台体通道温控参数
2.陀螺通道温控参数
3.重力敏感器通道温控参数
本发明的优点是,一种惯性平台式重力仪温控系统的高精度建模控制方法,针对海空重力仪平台内部台体、陀螺和重力敏感器各温控对象结构紧凑、温度耦合严重等不利因素,通过温控对象精确建模、非线性控制方法,使平台台体、陀螺和重力敏感器等三个通道均实现了高精度的温度控制,进而大大提高了海空重力仪的环境适应性和重力测量精度。
附图说明
图1为一种惯性平台式重力仪温控系统的非线性PI控制结构图。
图中,1温度传感器,2A/D模块,3非线性PI控制器,4D/A模块,5功率放大器,6平台台体、陀螺、重力敏感器加温片,7平台台体、陀螺、重力敏感器。Tref平台台体、陀螺、重力敏感器预设的目标温度值,T平台台体、陀螺、重力敏感器当前的温度值,Md施加在平台台体、陀螺、重力敏感器上的外部温度扰动(包含各通道之间的耦合干扰)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细介绍:
一种惯性平台式重力仪温控系统的高精度建模控制方法以海空重力仪的平台台体、陀螺、重力敏感器为温度控制对象,首先利用参数辨识方法对各温控对象进行精确建模和控制参数整定;在实施温度控制时,根据各温控对象当前的温度偏差的大小,分别利用最大功率输出、P控制、PI控制的非线性控制方法,实现海空重力仪的高精度温度控制。
一种惯性平台式重力仪温控系统高精度建模控制方法,包括以下几个步骤:
第一步:温控对象建模;
海空重力仪的温控对象由外到内分别为平台台体、陀螺和重力敏感器,建立各温控对象的数学模型需要获得各对象在重力仪平台内部温度耦合严重情况下的传递函数,具体方法为:
(1)利用温箱设置海空重力仪平台台体的环境温度为62℃,其目标温控点设置为74.5℃,即平台台体的温升为12.5℃。对平台台体施加加温电压,对陀螺、重力敏感器不施加加温电压,使平台台体的温升大致为12.5℃,分别记录该加温电压值以及平台台体、陀螺和重力敏感器通道的温升值和温升曲线;
(2)利用温箱设置海空重力仪陀螺的环境温度为62℃,其目标温控点设置为75℃,即陀螺的温升为13℃。对陀螺施加加温电压,对平台台体、重力敏感器不施加加温电压,使陀螺的温升大致为13℃,分别记录该加温电压值以及平台台体、陀螺和重力敏感器通道的温升值和温升曲线;
(3)利用温箱设置海空重力仪重力敏感器的环境温度为70℃,其目标温控点设置为76℃,即重力敏感器的温升为6℃。对重力敏感器施加加温电压,对平台台体、陀螺不施加加温电压,使重力敏感器的温升大致为6℃,分别记录该加温电压值以及平台台体、陀螺和重力敏感器通道的温升值和温升曲线;
(4)根据1~3获得的测试数据,利用1阶或2阶系统进行拟合,得到平台台体、陀螺和重力敏感器三个通道温控对象的频域模型:
y=G(s)v (1)
其中,
其中,ytt平台台体温度温升值,ycb重力敏感器温度温升值,yct陀螺温度温升值,y平台台体、重力敏感器、陀螺三通道的温度温升值,vtt平台台体温控输入功率,vcb重力敏感器温控输入功率,vct陀螺温控输入功率,v平台台体、重力敏感器、陀螺三通道的温控输入功率,s为Laplace算子;G(s)为平台台体、重力敏感器、陀螺三通道温控对象的频域模型。
第二步:温度控制方法;
(1)当各通道温度偏差较大时,为保证升温的快速性,采用最大功率进行加温,最大功率根据各通道加温功放电路确定,平台台体和陀螺的最大加温电压为45V,重力敏感器的最大加温电压为13V。根据各通道的热容量和温控点等参数,确定平台台体结束最大功率加温的温度点为72.5℃;陀螺结束的温度点为72℃;重力敏感器结束的温度点为73℃。
(2)当各通道的温度超过该通道结束最大功率加温的温度点后,采用非线性PI控制器进行温度控制。当温度偏差的绝对值大于设定的阈值时,采用比例控制,保证温度控制的快速性,又避免过大的控制超调;当温度偏差的绝对值小于该阈值后,引入积分环节,可以消除温度控制的静态误差,提高各通道的温控精度。根据各通道的温控模型,确定平台台体通道和陀螺通道引入积分环节的温度偏差阈值为0.4℃;重力敏感器通道的温度偏差阈值为0.5℃。
(3)得到各通道的非线性PI控制方法为:
4)平台台体通道的温度控制
其中,t平台台体温度控制输出时刻,平台台体目标温度值,ypt(t)t时刻平台台体实测温度,ept(t)t时刻平台台体温度偏差,zpt(t)t时刻平台台体温度偏差的积分值,εpt引入积分环节的温度偏差阈值,平台台体积分饱和上限,kppt平台台体温控比例系数,kipt平台台体温控积分系数,vpt(t)t时刻平台台体加温功率,平台台体加温功率上限,upt(t)t时刻平台台体加温电压。
5)陀螺通道的温度控制
其中,t陀螺温度控制输出时刻,陀螺目标温度值,yct(t)t时刻陀螺实测温度,ect(t)t时刻陀螺温度偏差,zct(t)t时刻陀螺温度偏差的积分值,εct引入积分环节的温度偏差阈值,陀螺积分饱和上限,kpct陀螺温控比例系数,kict陀螺温控积分系数,vct(t)t时刻陀螺加温功率,陀螺加温功率上限,uct(t)t时刻陀螺加温电压。
6)重力敏感器通道的温度控制
其中,t重力敏感器温度控制输出时刻;重力敏感器目标温度值,ycb(t)t时刻重力敏感器实测温度;ecb(t)t时刻重力敏感器温度偏差;zcb(t)t时刻重力敏感器温度偏差的积分值;εcb引入积分环节的温度偏差阈值;重力敏感器积分饱和上限;kpcb重力敏感器温控比例系数;kicb重力敏感器温控积分系数;vcb(t)t时刻重力敏感器加温功率;重力敏感器加温功率上限;ucb(t)t时刻重力敏感器加温电压。
第三步:温控参数整定。
利用Simulink进行仿真整定非线性PI控制器的参数,根据海空重力仪平台的结构特性,由外到内分别整定平台台体、陀螺和重力敏感器的温控参数,即首先将陀螺和重力敏感器的温控输出均置为0,通过调整平台台体的温控参数kppt和kipt,直到平台台体通道的温控性能(快速性、超调量和稳态精度等)达到指标要求为止;其次,用相同的方法整定陀螺通道的温控参数kpct和kict,此时,平台台体通道应正常闭环控制,而重力敏感器通道的温控输出则继续置为0;最后,用相同的方法整定重力敏感器的温控参数kpcb和kicb,此时,平台台体通道和陀螺通道均应正常闭环控制。按照以上方法,最终得到各通道的温控参数为:
4.平台台体通道温控参数
5.陀螺通道温控参数
6.重力敏感器通道温控参数
一种惯性平台式重力仪温控系统的高精度建模控制方法,首先针对海空重力仪平台台体、陀螺以及重力敏感器结构紧凑、温度耦合严重的特点,进行精确的温控系统建模,在精确建模的基础上,进一步利用非线性控制方法实现快速、高精度的温度控制,分别利用最大功率输出、P控制、PI控制等不同的控制方法对平台台体、陀螺、重力敏感器进行精细化温度控制。具体实施方式如下:海空重力仪上电以后,温度传感器1实时采集平台台体、陀螺、重力敏感器7的温度信号,经过A/D模块2转换为数字信号后发送到温控计算机,温控计算机根据预设的目标温度值Tref和反馈得到的当前温度值T计算温度偏差,经过非线性PI控制器3后得到温控电压值,此电压值经过D/A模块4转换为模拟信号并由功率放大器5进行功率放大后输入到平台台体、陀螺、重力敏感器加温片6,完成平台台体、陀螺、重力敏感器的高精度温度控制。
Claims (7)
1.一种惯性平台式重力仪温控系统高精度建模控制方法,其特征在于:包括以下几个步骤:
第一步:温控对象建模;
第二步:温度控制方法;
第三步:温控参数整定。
2.如权利要求1所述的一种惯性平台式重力仪温控系统高精度建模控制方法,其特征在于:所述的第一步包括,海空重力仪的温控对象由外到内分别为平台台体、陀螺和重力敏感器,建立各温控对象的数学模型需要获得各对象在重力仪平台内部温度耦合严重情况下的传递函数。
3.如权利要求1所述的一种惯性平台式重力仪温控系统高精度建模控制方法,其特征在于:所述的第一步包括以下步骤,
(1)利用温箱设置海空重力仪平台台体的环境温度为62℃,其目标温控点设置为74.5℃,即平台台体的温升为12.5℃,对平台台体施加加温电压,对陀螺、重力敏感器不施加加温电压,使平台台体的温升大致为12.5℃,分别记录该加温电压值以及平台台体、陀螺和重力敏感器通道的温升值和温升曲线;
(2)利用温箱设置海空重力仪陀螺的环境温度为62℃,其目标温控点设置为75℃,即陀螺的温升为13℃。对陀螺施加加温电压,对平台台体、重力敏感器不施加加温电压,使陀螺的温升大致为13℃,分别记录该加温电压值以及平台台体、陀螺和重力敏感器通道的温升值和温升曲线;
(3)利用温箱设置海空重力仪重力敏感器的环境温度为70℃,其目标温控点设置为76℃,即重力敏感器的温升为6℃,对重力敏感器施加加温电压,对平台台体、陀螺不施加加温电压,使重力敏感器的温升大致为6℃,分别记录该加温电压值以及平台台体、陀螺和重力敏感器通道的温升值和温升曲线;
(4)根据1~3获得的测试数据,利用1阶或2阶系统进行拟合,得到平台台体、陀螺和重力敏感器三个通道温控对象的频域模型:
y=G(s)v (1)
其中,
其中,ytt平台台体温度温升值,ycb重力敏感器温度温升值,yct陀螺温度温升值,y平台台体、重力敏感器、陀螺三通道的温度温升值,vtt平台台体温控输入功率,vcb重力敏感器温控输入功率,vct陀螺温控输入功率,v平台台体、重力敏感器、陀螺三通道的温控输入功率,s为Laplace算子;G(s)为平台台体、重力敏感器、陀螺三通道温控对象的频域模型。
4.如权利要求1所述的一种惯性平台式重力仪温控系统高精度建模控制方法,其特征在于:所述的第二步包括以下步骤,
(1)当各通道温度偏差较大时,为保证升温的快速性,采用最大功率进行加温,最大功率根据各通道加温功放电路确定,平台台体和陀螺的最大加温电压为45V,重力敏感器的最大加温电压为13V。根据各通道的热容量和温控点等参数,确定平台台体结束最大功率加温的温度点为72.5℃;陀螺结束的温度点为72℃;重力敏感器结束的温度点为73℃;
(2)当各通道的温度超过该通道结束最大功率加温的温度点后,采用非线性PI控制器进行温度控制,当温度偏差的绝对值大于设定的阈值时,采用比例控制,保证温度控制的快速性,又避免过大的控制超调;当温度偏差的绝对值小于该阈值后,引入积分环节,可以消除温度控制的静态误差,提高各通道的温控精度,根据各通道的温控模型,确定平台台体通道和陀螺通道引入积分环节的温度偏差阈值为0.4℃;重力敏感器通道的温度偏差阈值为0.5℃;
(3)得到各通道的非线性PI控制方法。
5.如权利要求4所述的一种惯性平台式重力仪温控系统高精度建模控制方法,其特征在于:所述的第二步中的步骤(3)包括如下,
1)平台台体通道的温度控制
其中,t平台台体温度控制输出时刻,平台台体目标温度值,ypt(t)t时刻平台台体实测温度,ept(t)t时刻平台台体温度偏差,zpt(t)t时刻平台台体温度偏差的积分值,εpt引入积分环节的温度偏差阈值,平台台体积分饱和上限,kppt平台台体温控比例系数,kipt平台台体温控积分系数,vpt(t)t时刻平台台体加温功率,平台台体加温功率上限,upt(t)t时刻平台台体加温电压;
2)陀螺通道的温度控制
其中,t陀螺温度控制输出时刻,陀螺目标温度值,yct(t)t时刻陀螺实测温度,ect(t)t时刻陀螺温度偏差,zct(t)t时刻陀螺温度偏差的积分值,εct引入积分环节的温度偏差阈值,陀螺积分饱和上限,kpct陀螺温控比例系数,kict陀螺温控积分系数,vct(t)t时刻陀螺加温功率,陀螺加温功率上限,uct(t)t时刻陀螺加温电压;
3)重力敏感器通道的温度控制
6.如权利要求1所述的一种惯性平台式重力仪温控系统高精度建模控制方法,其特征在于:所述的第三步利用Simulink进行仿真整定非线性PI控制器的参数,根据海空重力仪平台的结构特性,由外到内分别整定平台台体、陀螺和重力敏感器的温控参数,即首先将陀螺和重力敏感器的温控输出均置为0,通过调整平台台体的温控参数kppt和kipt,直到平台台体通道的温控性能达到指标要求为止;其次,用相同的方法整定陀螺通道的温控参数kpct和kict,此时,平台台体通道应正常闭环控制,而重力敏感器通道的温控输出则继续置为0;最后,用相同的方法整定重力敏感器的温控参数kpcb和kicb,此时,平台台体通道和陀螺通道均应正常闭环控制。
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