一種基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統的製作方法

2023-05-26 01:33:06

專利名稱：一種基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及天線控制技術領域，具體涉及一種適用於對撓性較大的天線進行伺服控制的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統。
背景技術：
大型天線的撓性較大，即剛性低、轉動慣量大、諧振頻率低、阻尼係數較小。一般來說，大撓性天線系統閉環帶寬只能遠遠低於天線諧振頻率，否則系統將不穩定。對於天線伺服系統，控制的目標是天線電軸，但在一般的伺服系統中，天線本身的撓性並沒有包括在系統閉環內。在天線轉臺之前，伺服系統可以形成電流、速度、位置閉環； 當包括了撓性較大的天線及其支架後，整個系統成了開環系統，這對系統的控制很不利。對於大撓性天線系統，目前一般採用兩種辦法來減小天線撓性對系統的影響。一種辦法是採用陷波設計的方法，將系統前向校正通道的幅頻特性上設計出一個凹口，凹口的頻率等於天線的諧振頻率。這種方法需要準確地知道撓性天線的諧振頻率，需要做很多測試工作，需要昂貴的測試設備。另一種是採用加減速的控制策略限制系統的輸出信號帶寬，避開天線的撓性諧振頻率。這種方法為了保證系統的穩定性，極大地犧牲了系統的帶寬。這主要是由於這兩種方法沒有對天線撓性所引起的諧振進行反饋，系統無法對其進行準確的校正補償。

發明內容
本發明要解決的技術問題是針對於現有技術的上述不足，提供一種基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，該基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統用於對撓性天線進行控制可儘可能地增大系統的帶寬，提高控制系統的控制性能。為達到上述發明目的，本發明所採用的技術方案為提供一種基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於包括速率陀螺、天線基座角度測量裝置、電機驅動系統、 天線速度控制器、位置控制器、傳動裝置、撓性支架、天線和天線速度反饋控制器；所述速率陀螺為一用於獲取天線電軸的空間轉動速率的二維速率陀螺，速率陀螺固連在天線電軸上，速率陀螺的兩個敏感軸與天線的兩個轉軸重合或平行；所述位置控制器、天線速度控制器、電機驅動系統、傳動裝置、撓性支架、天線沿信號傳輸路徑依次連接；所述速率陀螺、天線速度反饋控制器、天線速度控制器、電機驅動系統、傳動裝置、撓性支架和天線構成一天線速度反饋迴路；所述天線基座角度測量裝置、位置控制器、天線速度控制器、電機驅動系統和傳動裝置構成一位置反饋迴路；所述電機驅動系統為由速度控制器、功率驅動器和電機構成的一個電流與速度的雙迴路閉環系統。按照本發明所提供的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述速率陀螺安裝在天線柔性最大的位置處。按照本發明所提供的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述速率陀螺的帶寬高於天線和撓性支架的帶寬。
按照本發明所提供的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述天線基座角度測量裝置採用旋轉變壓器或光電編碼器，用於測量天線轉臺的角度信息。按照本發明所提供的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述電機驅動系統的輸入為電機速度指令，電機驅動系統的輸出為電機轉速信號。按照本發明所提供的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述傳動裝置將電機的輸出轉速轉化為天線轉臺的角位置輸出。按照本發明所提供的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述位置控制器採用PID控制方式輸出控制天線轉臺角度位置的控制指令。按照本發明所提供的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述天線速度反饋控制器採用比例控制方式調整速率陀螺反饋信號的強弱。按照本發明所提供的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述天線速度控制器採用比例控制或比例積分控制方式生成電機驅動系統的速度控制指令，天線速度控制器的輸入為位置控制器和天線速度反饋控制器之差。綜上所述，本發明所提供的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統相比於現有的撓性天線伺服控制系統具有如下優點
1、引入速率陀螺來提取撓性天線電軸在運動中的速度，改變伺服系統的控制結構，使系統能夠直接針對天線電軸本身進行控制，而不僅僅是對天線安裝基座進行控制，從而非常好地解決了撓性天線伺服系統中快速性與平穩性的矛盾；
2、該系統不需要知道天線的準確數學模型，控制系統設計調試非常方便，具有很強的實用價值；
3、引入速率陀螺、天線基座角度測量裝置和天線速度反饋控制器對撓性天線電軸進行速率感知並控制，使系統成為針對撓性天線電軸的全閉環控制系統，提高撓性天線的位置或速度控制性能。


圖1是基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統的原理圖。圖2是基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統的控制模型框圖。圖3是基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統中速率陀螺安裝位置示意圖。圖4為現有的撓性天線伺服控制系統的轉臺處的位置階躍響應仿真曲線圖。圖5為現有的撓性天線伺服控制系統的電軸處的位置階躍響應仿真曲線圖。圖6為基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統的轉臺處的位置階躍響應仿真曲線圖。圖7為基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統的電軸處的位置階躍響應仿真曲線圖。其中，1、速率陀螺；2、天線基座角度測量裝置；3、電機驅動系統；4、天線速度控制器；5、位置控制器；6、傳動裝置；7、撓性支架；8、天線；9、天線速度反饋控制器。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細地描述如圖1所示，該基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統包括速率陀螺1、天線基座角度測量裝置2、電機驅動系統3、天線速度控制器4、位置控制器5、傳動裝置6、撓性支架7、天線8和天線速度反饋控制器9 ；所述速率陀螺1為一用於獲取天線電軸的空間轉動速率的二維速率陀螺，速率陀螺1固連在天線電軸上，速率陀螺1的兩個敏感軸與天線8的兩個轉軸重合或平行；所述位置控制器5、天線速度控制器4、電機驅動系統3、傳動裝置6、撓性支架7、天線8沿信號傳輸路徑依次連接；所述速率陀螺1、天線速度反饋控制器9、天線速度控制器4、電機驅動系統3、傳動裝置6、撓性支架7和天線8構成一天線速度反饋迴路；所述天線基座角度測量裝置2、位置控制器5、天線速度控制器4、電機驅動系統3和傳動裝置 6構成一位置反饋迴路；所述電機驅動系統3為由速度控制器、功率驅動器和電機構成的一個電流與速度的雙迴路閉環系統。所述速率陀螺1安裝在天線8柔性最大的位置處。所述速率陀螺1的帶寬高於天線8和撓性支架7的帶寬。所述天線基座角度測量裝置2採用旋轉變壓器或光電編碼器， 用於測量天線轉臺的角度信息。所述電機驅動系統3的輸入為電機速度指令，電機驅動系統3的輸出為電機轉速信號。所述傳動裝置6將電機的輸出轉速轉化為天線轉臺的角位置輸出。所述位置控制器5採用PID控制方式輸出控制天線轉臺角度位置的控制指令。所述天線速度反饋控制器9採用比例控制方式調整速率陀螺1反饋信號的強弱。所述天線速度控制器4採用比例控制或比例積分控制方式生成電機驅動系統3的速度控制指令，天線速度控制器4的輸入為位置控制器5和天線速度反饋控制器9之差。準確地說，天線伺服系統的控制目標不是轉臺，而是天線電軸。一般的天線伺服系統最大的不足在於速度或位置傳感器僅對天線安裝基座(轉臺)進行速度或角位置的感知， 無法對天線電軸本身進行速度或位置的反饋，當天線撓性較大時，極易引起振蕩。本發明的方案採用速率陀螺可以克服這一缺點。在一個典型的兩維天線伺服系統中，與一般的天線伺服系統相比，基於速率陀螺的天線伺服系統在天線上安裝了一個兩維的速率陀螺，如圖1 所示。由於需要獲取的是天線電軸的空間轉動速率，所以理論上速率陀螺應與天線電軸固連，其兩個敏感軸與天線的兩個轉軸重合或平行。天線轉臺帶動天線轉動，由於天線本身剛性差，當角加速度變化較大時，會產生較大的扭轉變形，使天線電軸與天線轉臺基準線發生變化。速率陀螺的作用在於敏感天線電軸在空間的角速率，以便對控制目標(天線電軸)實現閉環控制。本系統增加了速率陀螺反饋支路，其餘控制結構均不變。因此採用速率陀螺之後，對伺服及傳動系統的硬體結構沒有改變，只需在天線上安裝一隻速率陀螺並將其電纜連接到伺服控制器即可。在數字控制器中，增加了反饋控制器和天線速度控制器。圖2是當該伺服控制系統作為一個位置控制系統時的控制模型框圖。其中，電機驅動系統3本身組成一個電流與速度的雙迴路閉環系統，其輸入為電機速度指令，輸出為電機轉速。可以用簡化的一階慣性環節表示
β· = ^ 。撓性支架7和天線8的特性表徵了天線電軸的撓性，可以用二階振蕩環節出，可表示為。速率陀螺1的帶寬遠高於天線及其撓性支架，可以用二階模型表示
權利要求
1.一種基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於包括速率陀螺(1)、天線基座角度測量裝置(2)、電機驅動系統(3)、天線速度控制器(4)、位置控制器(5)、傳動裝置 (6)、撓性支架(7)、天線(8)和天線速度反饋控制器(9);所述速率陀螺(1)為一用於獲取天線電軸的空間轉動速率的二維速率陀螺，速率陀螺(1)固連在天線電軸上，速率陀螺(1)的兩個敏感軸與天線(8)的兩個轉軸重合或平行；所述位置控制器(5)、天線速度控制器(4)、 電機驅動系統(3)、傳動裝置(6)、撓性支架(7)、天線(8)沿信號傳輸路徑依次連接；所述速率陀螺(1)、天線速度反饋控制器(9)、天線速度控制器(4)、電機驅動系統(3)、傳動裝置 (6)、撓性支架(7)和天線(8)構成一天線速度反饋迴路；所述天線基座角度測量裝置(2)、 位置控制器(5)、天線速度控制器(4)、電機驅動系統(3)和傳動裝置(6)構成一位置反饋迴路；所述電機驅動系統(3)為由速度控制器、功率驅動器和電機構成的一個電流與速度的雙迴路閉環系統。
2.根據權利要求1所述的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述速率陀螺(1)安裝在天線(8)柔性最大的位置處。
3.根據權利要求1或2所述的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於 所述速率陀螺(1)的帶寬高於天線(8)和撓性支架(7)的帶寬。
4.根據權利要求1所述的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述天線基座角度測量裝置(2)採用旋轉變壓器或光電編碼器，用於測量天線轉臺的角度信息。
5.根據權利要求1所述的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述電機驅動系統(3)的輸入為電機速度指令，電機驅動系統(3)的輸出為電機轉速信號。
6.根據權利要求1所述的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述傳動裝置(6)將電機的輸出轉速轉化為天線轉臺的角位置輸出。
7.根據權利要求1所述的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述位置控制器(5)採用PID控制方式輸出控制天線轉臺角度位置的控制指令。
8.根據權利要求1所述的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述天線速度反饋控制器(9)採用比例控制方式調整速率陀螺(1)反饋信號的強弱。
9.根據權利要求1、5、7或8所述的基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統，其特徵在於所述天線速度控制器(4)採用比例控制或比例積分控制方式生成電機驅動系統(3)的速度控制指令，天線速度控制器(4 )的輸入為位置控制器(5 )和天線速度反饋控制器(9 )之差。
全文摘要
本發明公開了一種基於速率陀螺的撓性天線伺服控制系統。該系統引入速率陀螺來提取撓性天線電軸在運動中的速度，改變伺服系統的控制結構，使系統能夠直接針對天線電軸本身進行控制，而不僅僅是對天線安裝基座進行控制，從而非常好地解決了撓性天線伺服系統中快速性與平穩性的矛盾，通過引入速率陀螺、天線基座角度測量裝置和天線速度反饋控制器對撓性天線電軸進行速率感知並控制，使系統成為針對撓性天線電軸的全閉環控制系統，提高撓性天線的位置或速度控制性能。該系統不需要知道天線的準確數學模型，控制系統設計調試非常方便，具有很強的實用價值。
文檔編號G05D3/12GK102360231SQ201110162510
公開日2012年2月22日 申請日期2011年6月16日 優先權日2011年6月16日
發明者謝偉 申請人:成都西科微波通訊有限公司