三軸精密角運動控制方法

2023-07-12 15:03:51

專利名稱：三軸精密角運動控制方法
技術領域：
本發明屬於一種三軸姿態運動模擬設備，涉及一種三軸精密角運動 控制方法。
背景技術：
三軸轉臺(既三維姿態運動模擬設備)為慣性傳感器及導航系統測 試提供精確的角位置定位、精密的角速度等姿態模擬運動，是一種導航 /制導系統、傳感器的重要測試設備。隨著技術的發展，多軸角速率聯 動(包括兩兩軸同時角速率運動，另一軸定位或三軸同時角速率運動) 己成為傳感器及系統測試不可缺少的技術手段。三軸轉臺通常由負載安
裝空間l、內環2、內環軸3、中環4、中環軸5、 外環6、 外環軸7 和底座8組成，每個控制迴路均包括環架動力學結構、電機與功率驅 動系統、角運動傳感器及測量系統、伺服控制器及綜合控制單元.(如圖
l)其中運動伺服控制器接受測量反饋信號，並構成相應的閉環伺服控
制系統；綜合控制單元接受外部指令或內部產生相應的運動軌跡。
現有的三軸轉臺對角運動的控制是通過運動軸各自的基本位置、速
率閉環加前饋的複合控制方法，亦即各軸獨立的位置、速率閉環組成
基本的運動伺服控制迴路， 一定比例的速度、加速度指令作為前饋信號 綜合到伺服迴路，以減小被控對象對指令運動的跟蹤誤差。
上述控制方法主要存在著以下兩點不足
CD由於三軸轉臺的結構質量分布原因，多軸聯動存在著軸間動力學
耦合力矩造成對控制系統關於轉角變化的周期性擾動，使得運動軸不能 對指令進行精確跟蹤，聯動角速率性能下降，定位不穩定，甚至閉環回 路不能可靠工作。
②由於包括結構質量分布等在內的系統參數不確定和變化(如負 載、轉速等)，前饋控制環節與控制對象之間存在著模型匹配上差異， 使得常規的前饋控制不能對擾動起到有效的抑制作用。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠有效地控制軸間動力學耦合力矩對控制系統轉角變化的周期性擾動的三軸精密角運動控制方法。本發明的
技術解決方案是，利用控制計算裝置在每個控制伺服周期中，按照軸間
耦合力矩擾動的諧波特性定時產生關於轉角變化的正交諧波補償控制
信號，同時根據系統伺服誤差實時計算並調整各階次諧波信號的幅值，
並將補償控制信號施加於相應軸獨立的基本閉環伺服控制迴路。 控制計算裝置在控制伺服周期A中按照公式
formula see original document page 4 (1) 和公式
formula see original document page 4計算並生成關於m《土Wp的各階次正交諧波補償控制，並對其幅值 A.,、 ^進行自適應計算和實時調整，利用設置的初始移相角A,A,補償 系統的延遲，並將補償控制信號"，w施加於相應軸獨立的基本閉環伺 服控制迴路。
控制計算裝置利用內、中環指令角位置《和&產生各階次正交諧波 分量並與相應的幅度係數相乘，《和^根據公式(1)定時分別計算並 產生針對各軸耦合擾動作用的諧波補償前饋控制信號。
控制計算裝置將系統的伺服誤差 根據公式(2)與具有初始移相 角的各階次正交諧波分量相乘，經過積分自適應修正各階次補償控制信 號的幅值，將各補償控制信號與已有相應軸獨立的基本閉環伺服控制回 路相綜合，同時對相應階次補償控制信號的幅值和相位進行調整。
所述的控制計算裝置是指微控制器或控制計算機等可用於計算控 制的裝置。
本發明的優點效果，本發明採用了對結構質量分布引起的軸間運動 耦合力矩擾動進行諧波自適應前饋補償控制的(CTHAFC)策略和系統結 構，使得各軸間的聯動角速率狀態時的位置伺服跟蹤誤差顯著減少，聯 動性能大大改善。由於耦合力矩擾動得到了有效抑制，諧波自適應前饋 補償控制(CTHAFC)也擴寬了三軸轉臺聯動角速率的範圍，提高了系統的可靠性，從而為慣性傳感器及系統測試提供了新的測試技術手段。由
於諧波自適應前饋補償控制(CTHAFC)微控制器採取了帶有初始相位補 償的正交諧波自適應前饋控制方法，使得對補償控制信號的幅值及相位 調節轉化為利用伺服誤差和指令信號對補償信號的幅度自適應控制，並 且保證了補償信號在幅值上穩定地趨近於相應的耦合作用擾動幅度並 且方向相反。由於不需要當前角位置的反饋測量信息和準確的初始角位 置信息，不採用諧波數據處理中常用的諸如傅立葉變換等複雜的計算， 大大簡化了控制系統算法，提高了運算速度和整個系統的實時性。對於 不同於附圖1結構形式的轉動機構，該方法也可有效地應用於消除具有 諧波特性的系統擾動。
本發明可以在線估計不確定參數並實時修正其變化，通過施加諧波 補償控制有效地消除軸間耦合力矩擾動，使三軸轉臺在多軸角速率聯動 狀態下的跟蹤性能大幅度提高。
本發明仍保留了三軸轉臺已有的各軸獨立的基本閉環伺服控制回 路，並以各軸關於轉角變化的耦合力矩諧波分量階次為基礎構建 CTHAFC系統。


圖1為現有獨立的運動伺服控制系統示意圖； 圖2為現有典型三軸轉臺結構示意圖3為本發明具有諧波自適應前饋補償的控制計算裝置的三軸精 密角運動控制系統結構示意圖4為本發明諧波自適應前饋補償控制計算的結構框圖。
具體實施例方式
控制計算裝置在每個控制伺服周期中，按照軸間耦合力矩擾動的諧 波特性定時產生關於轉角《^±^/變化的正交諧波補償控制信號，同時 根據系統伺服誤差實時計算並調整各階次諧波信號的幅值a,，a,，並將 補償控制信號施加於相應軸獨立的基本閉環伺服控制迴路，達到精確消 除軸間耦合力矩擾動的目的。通過設置控制信號初始移相角A，A，補
償系統延遲，保證自適應機構的穩定性。
軸間耦合力矩諧波自適應前饋補償(CTHAFC)的計算公式為"c匿cW: SG^Wsin(附《W土4W)+A'Wcos(m《(A;)士"^(A:))) ( 1 )
A, W = Wsin(附《 ) ± & )+ 4 -1)I ( 2 )
J^W"Ccos(附《W土"&(A:)土/ c,)+Pc,M) }
公式中m，" = 0， 1， 2,……是補償控制信號諧波參數；
iV是與有關的補償控制信號最高諧波分量階次； A,&是補償控制信號的幅值係數，&(0) = A,。,A,(0)=&。； K,，^是自適應增益；7;是控制系統伺服採樣周期；
A是補償控制信號諧波初始移相角。 在公式(1)中，產生各階次正交諧波分量與相應的幅度係數相乘， 形成耦合力矩擾動作用的補償控制信號；在公式(2)中，系統伺服誤 差與具有初始移相角的各階次正交諧波分量相乘，經過積分放大後形成 對補償控制信號的幅值計算，同時對相應階次補償控制信號的幅值和相 位調整的作用。
如圖4，在第A個伺服採樣周期中，CTHAFC 14利用內、中環指令 角位置《、^和初始移相角A,A,分別由圖4中15和16產生相互正交 的諧波信號sin(附《土"^J 、 sin(附《土"^土A,)禾口 cos(附《士"^J 、 co如《土"^土A,);將具有初始移相角正交諧波信號分別於伺服誤差^ 相乘，利用公式(2)進行數字積分、乘&^,放大形成自適應調節的各 階次正交諧波係數&和& ;同時將正交諧波信號與相應的諧波係數相 乘，利用公式(1)進行相加產生A周期的補償控制信號〃 。
如圖3，將A周期的補償控制信號&m^施加於速率閉環12、位置 閉環13等組成的基本閉環伺服控制迴路，與速率閉環12綜合形成對耦 合擾動必的補償控制作用。經過A周期的持續迭代計算，經過修正後 各階次補償控制信號在幅值上穩定地趨近於耦合擾動作用的幅值並且 方向相反時，補償控制將準確地抵消耦合擾動作用，從而達到對軸間運 動耦合力矩擾動的抑制目的，使系統輸出^—。A一。A—。中不再含有耦合擾 動作用的影響。圖3中，中環軸控制系統10、外環軸控制系統9與內 環軸控制系統ll的CTHAFC 14實施過程基本相同，僅僅由於各環軸耦 合力矩擾動的諧波特性造成的正交諧波15、 16的構成在附《±"^上有 所區別。具有軸間耦合力矩諧波自適應前饋補償(CTHAFC)的三維姿態運動 模擬設備精密角運動控制系統(附圖3)，由控制計算裝置在每個伺服 控制周期中按照公式(1)公式(2)計算並生成關於附《±"^的各階次 正交諧波補償控制，並對其幅值&、 ；^進行自適應估計和實時調整， 利用設置初始移相角A,A補償系統的延遲，並將補償控制信號"，w 施加於相應軸獨立的基本閉環伺服控制迴路，從而構成控制系統抵消軸 間耦合作用擾動的任何一種方法，均在本發明的權力要求中。三軸轉臺 作勻轉速運動或搖擺運動等方式下，本方法在兩兩軸聯動(另一軸定位) 或三軸同時聯動時均可有效。
實際應用中，補償控制信號諧波參數m，"可根據各軸耦合擾動對系 統的影響程度選擇，^,^和A，A根據各軸獨立的基本閉環伺服控制回
路的系統特性選擇，z;是系統固有參數。
圖3中，^AA分別為三軸轉臺指令角位置和角速度；A。A。A。 分別為三軸實際姿態角位置；^為相應軸系統伺服誤差；P為控制對象 (即被控制的轉臺相應運動軸)；Gp， Gv分別為獨立閉環迴路位置、速 率控制器；必為耦合擾動力矩；CTHAFC為耦合力矩前饋補償自適應 控制機構。
圖4中，^，^分別為三軸轉臺內、中軸指令角位置；sh-15、 cos -16代表正交諧波分量產生機構；X為乘法器J為積分器；p、 ；^為自 適應增益，A,&為補償控制信號諧波初始移相角。
權利要求
1. 一種三軸精密角運動控制方法，其特徵在於，控制計算裝置在每個控制伺服周期中，按照軸間耦合力矩擾動的諧波特性定時產生關於轉角變化的正交諧波補償控制信號，同時根據系統伺服誤差實時計算並調整各階次諧波信號的幅值，並將補償控制信號施加於相應軸獨立的基本閉環伺服控制迴路。
2. 根據權利要求1所述的三軸精密角運動控制方法，其特徵在於，所述的控制計算裝置是指微控制器或控制計算機。
3. 根據權利要求1所述的三軸精密角運動控制方法，其特徵在於，控制計算裝置在控制伺服周期A中按照公式和公式A, W = ;K力(A:)sin(m《,《(A:)士 A,)+ A, (" 1)} ( 2 )W = ,cCc。如《W土《W± A,)+ -l) J計算並生成關於m《士n^的各階次正交諧波補償控制，並對其幅值 &、 A,進行自適應計算和實時調整，利用設置的初始移相角A,A,補償 系統的延遲，並將補償控制信號"，^施加於相應軸獨立的基本閉環伺 服控制迴路。
4. 根據權利要求3所述的三軸精密角運動控制方法，其特徵在於， 控制計算裝置將產生的各階次正交諧波分量與相應的幅度係數相乘，利 用內、中環指令角位置《和^根據公式(1)定時分別計算並產生針對各軸耦合擾動作用的諧波補償前饋控制信號"^^c:。
5. 根據權利要求3所述的三軸精密角運動控制方法，其特徵在於，控制計算裝置將系統的伺服誤差 根據公式(2)與具有初始移相角的 各階次正交諧波分量相乘，經過積分自適應修正各階次補償控制信號的 幅值，將各補償控制信號與已有相應軸獨立的閉環伺服控制迴路相綜 合，同時對相應階次補償控制信號的幅值和相位進行調整。
全文摘要
本發明屬於一種三軸姿態運動模擬設備，涉及一種三軸精密角運動控制方法。它是利用控制計算裝置按照軸間耦合力矩擾動的諧波特性定時產生關於轉角變化的正交諧波補償控制信號和根據系統伺服誤差實時計算並調整各階次諧波信號的幅值，並將補償控制信號施加於相應軸獨立的基本閉環伺服控制迴路。本發明採用了對結構質量分布引起的軸間運動耦合力矩擾動進行諧波自適應前饋補償控制的(CTHAFC)策略和系統結構，使得各軸間的聯動角速率狀態時的位置伺服跟蹤誤差顯著減少，聯動性能大大改善。
文檔編號G05B11/32GK101299148SQ20081010603
公開日2008年11月5日 申請日期2008年5月12日 優先權日2008年5月12日
發明者樾 劉, 聰 張 申請人:中國航空工業第一集團公司北京航空精密機械研究所