一種懸吊平臺系統的方位控制系統及其方法
2023-05-04 21:20:46
專利名稱：一種懸吊平臺系統的方位控制系統及其方法
一種懸吊平臺系統的方位控制系統及其方法技術領域
本發明屬於控制工程領域，特別涉及一種懸吊平臺系統的方位控制系統及其方法。
背景技術：
基於氣球、飛艇等高空浮空載體的懸吊平臺，是指通過柔性連接吊掛在浮空載體下方的設備搭載平臺，在天文觀測、氣象、遙感、高能物理等科學領域有廣闊的應用前景。懸吊平臺通常吊掛在載體下方10 100米處，只搭載儀器設備時通常稱作「吊籃」。根據中科院北京天文臺已進行的實驗資料(葉詳明，博士學位論文《大型球載望遠鏡高精度姿態控制及其指向技術研究》)，繞懸吊軸的隨機轉動是影響吊籃姿態穩定的主要原因，因而方位控制對平臺姿態的穩定有重要的意義。
國內對於浮空載體懸吊平臺的方位控制的研究，已經取得一定進展。中國科學院紫金山天文臺王楠森等人的公開號為CN2539985Y的專利「定向姿態控制吊籃」中提出了用於大氣層外射線研究的高空氣球懸吊平臺方向控制系統的機械結構和功能構架帶有反捻機構和基於動量交換原則的姿態控制機構。王楠森等人的另外一項公開號為CN1380592C 的專利「高空氣球天文觀測吊籃的定向姿態控制方法」提出了基於高空氣球的懸吊平臺方位控制的方法利用磁敏感器件檢測方位角位置信息，利用力矩電機和反作用飛輪作為執行機構控制懸吊平臺方位。林寶軍等人在論文《球載平臺控制系統狀態觀測器設計》(《計算機仿真》1999年1月刊)中提出了利用高空氣球懸吊平臺的方位角信息和反作用飛輪轉速信息構建狀態觀測器，從而控制高空球載懸吊平臺方位角的方法。何琳琳等人在論文《高空氣球吊籃方位控制系統的反作用飛輪控制模式》(《微特電機》2006年第7期)和論文 《高空氣球吊籃方位控制的反作用飛輪系統》(《微特電機》2007年第8期)中設計了一種速率控制模式下的反作用飛輪控制系統，該系統工作在方位角位置環內部，提高了執行機構的驅動能力。
國外對這一領域的研究較多集中在應用領域。澳大利亞科學家在90年代初放飛了用於收集太空射線的高空氣球，搭載設備的懸吊平臺可以自動回復參考位置(R. Sood, et al,《Geomagnetic field based orientation systems for balloon-borne astronomy payloads》)。1993 1995年由美國空軍菲力蒲實驗室開展的高空氣球實驗(HABE)，其懸吊平臺搭載的光學跟蹤設備上使用了地磁儀和陀螺測量姿態角位置和角速度，但二者的控制對象是放置在懸吊平臺上作為負載的萬向架，而不是懸吊平臺本身(《Altitude control and trajectory for the High Altitude Balloon Experiment》，Schulthess,Lt. M. et al, SPIE Vol. 2221.)。美國Johns Hopkins大學2001年1月研製的用於觀測太陽活動的高空氣球，其懸掛平臺搭載有天文望遠鏡，指向系統保證平臺始終指向太陽(Pietro N, et al, ((A balloon-borne telescope for high resolution solar imaging and polarimetry〉〉)。義大利科學家2005年研製的球載方位穩定懸吊平臺，接受GPS的方位信號，通過驅動反作用飛輪，完成對平臺的方位控制(G. Di Cocco, et al，《A high performance balloon gondolafor fine angular resolution X-ray telescopes〉〉)。
以上系統均採用地磁信息或衛星定位信息進行方位角檢測，而地磁信息敏感系統和衛星定位信息的採樣頻率都比較低，分別為幾十赫茲和1赫茲左右，因而其對擾動的抑制帶寬都比較低。以上系統的負載都相對平臺保持靜止或具有較低的方位機動性，因而採用單一的方位角位置閉環就可以滿足設計需要。而針對具有較高方位機動性和較大轉動慣量的負載，當負載轉動時，採用單一的方位角位置控制環很難將平臺的方位角穩定在給定範圍之內。發明內容
本發明要解決的技術問題是對於通過柔性聯接懸吊在氣球、飛艇等浮空載體下方的設備搭載平臺，當其上搭載有較大轉動慣量，較高方位機動性的負載時，平臺的方位角跟蹤和穩定能力將大大下降，如何在角位置檢測設備和執行機構不變的條件下提高懸吊平臺方位角跟蹤和穩定能力。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案是一種懸吊平臺系統的方位控制系統，該懸吊平臺系統包含如下硬體組成部分懸吊平臺、安裝在主纜上的反捻機構、方位角測量器件、用於測量方位角速度的角速率陀螺、帶有A/D及D/A功能的數字控制器，以及由功率放大和變換裝置、電機驅動的角動量交換裝置組成的方位控制執行機構，以上各部分按照如下結構構成控制系統
1)懸吊平臺上安裝能夠測量平臺繞方位軸旋轉運動時的方位角速度的角速率陀螺；
2)將角速率陀螺測量得到的平臺繞方位軸旋轉運動時的方位角速度信息反饋給數字控制器；
3)將方位角測量器件測得的平臺方位角位置信息反饋給數字控制器。
進一步的，在控制系統結構構成上存在以方位角速度信息為反饋信號的採樣頻率較高的角速度控制環，在角速度控制環外存在以方位角位置信息為反饋信號的採樣頻率較低的角位置控制環；在角速度控制環內還可根據需要存在執行機構內環。
根據上述的一種懸吊平臺系統的方位控制系統的控制方法，包括以下實現步驟
步驟(1)在平臺上安裝測量方位角速度的角速率陀螺；
步驟( 測量功率放大和變換裝置輸入信號到陀螺輸出信號的頻率特性，依據頻率特性設計控制算法；
步驟C3)在控制器中實現控制算法，控制器輸入為角速度給定信號和角速率陀螺反饋的平臺實測角速度信號，輸出為功率驅動和變換裝置的輸入信號；
步驟(4)測量角速度控制環閉環後的角速度控制器輸入到角位置輸出的頻率特性，設計角位置環控制器，實現系統角位置閉環。
本發明的原理如下
系統應有如下部件構成懸吊平臺、安裝在主纜上的反捻機構、方位角測量傳感器、功率放大和變換裝置、電機驅動的角動量交換裝置(如反作用飛輪、控制力矩陀螺、變速控制力矩陀螺)，用於測量方位角速度的角速率陀螺，帶有A/D，D/A功能的數字控制器作為控制器。系統結構如附圖1。懸吊平臺上有能夠測量平臺角速度信息的角速率陀螺；以平臺方位角速度信號作為反饋信號的高採樣率方位角速度控制環；方位角速度控制環外部存在採樣率較低的方位角位置控制環；方位角速度控制環內部，根據系統需要可以存在執行機構控制環，包括但不限於以下形式控制環路電流環、加速度環、動量交換裝置的轉速控制環。
本發明與現有技術相比具有如下優點
(1)將其他領域比較成熟的角位置+角速度的多閉環控制結構引入到浮空載體懸吊平臺的方位控制系統中，與現有的懸吊平臺方位控制技術相比，增加了一個高採樣率的角速度控制環，提高了系統的響應速度，增強了系統的抗擾動能力；
(2)本發明在硬體實現上只需在現有懸吊平臺控制系統中增加角速率陀螺，投入成本較低；
(3)本發明提出的控制策略，適用於載有高方位機動性和較大轉動慣量負載的懸吊平臺，擴展了懸吊平臺的應用範圍。
圖1 (a)及圖1 (b)為本發明的基於角速率陀螺反饋信息的懸吊平臺系統的方位控制系統的框圖；其中，圖1(b)為圖1(a)中執行機構的內部結構框圖2為本發明的實現流程圖3為本發明的控制器主程序流程圖4為本發明的控制器中斷響應子程序流程圖5為本發明的狀態判定及轉移子程序流程圖。
具體實施方式
以下說明本發明的實施例。但以下的實施例僅限於解釋本發明，本發明的保護範圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例對該領域的技術人員即可以實現本發明權利要求的全部內容。
下面以某懸吊平臺系統方位控制系統的實施例為例對本發明進一步說明。
某懸吊平臺已安裝方位控制執行機構、方位測量器件、帶有A/D，D/A等接口的數字控制器。控制系統結構按圖1所示的方式布置。以下步驟完成控制系統設計和實現
(1)在平臺上安裝西安中星測控有限公司生產的CS-ARS-12角速率陀螺，安裝時確保陀螺測量的角度為懸吊平臺的方位角。
(2)使用動態信號分析儀測量功率放大裝置的輸入信號到角速率陀螺輸出電壓信號的頻率響應特性。測得系統方位角速度響應特性，經擬合得到下面的傳遞函數
權利要求
1.一種懸吊平臺系統的方位控制系統，其特徵在於該懸吊平臺系統包含如下硬體組成部分懸吊平臺、安裝在主纜上的反捻機構、方位角測量器件、用於測量方位角速度的角速率陀螺、帶有A/D及D/A功能的數字控制器，以及由功率放大和變換裝置、電機驅動的角動量交換裝置組成的方位控制執行機構，以上各部分按照如下結構構成控制系統1)懸吊平臺上安裝能夠測量平臺繞方位軸旋轉運動時的方位角速度的角速率陀螺；2)將角速率陀螺測量得到的平臺繞方位軸旋轉運動時的方位角速度信息反饋給數字控制器；3)將方位角測量器件測得的平臺方位角位置信息反饋給數字控制器。
2.根據權利要求1所述的一種懸吊平臺系統的方位控制系統，其特徵在於在控制系統結構構成上存在以方位角速度信息為反饋信號的採樣頻率較高的角速度控制環，在角速度控制環外存在以方位角位置信息為反饋信號的採樣頻率較低的角位置控制環，在角速度控制環內還可根據需要存在執行機構內環。
3.根據權利要求1或2所述的一種懸吊平臺系統的方位控制系統的控制方法，其特徵在於包括以下實現步驟步驟(1)在平臺上安裝測量方位角速度的角速率陀螺；步驟( 測量功率放大和變換裝置輸入信號到陀螺輸出信號的頻率特性，依據頻率特性設計控制算法；步驟C3)在控制器中實現控制算法，控制器輸入為角速度給定信號和角速率陀螺反饋的平臺實測角速度信號，輸出為功率驅動和變換裝置的輸入信號；步驟(4)測量角速度控制環閉環後的角速度控制器輸入到角位置輸出的頻率特性，設計角位置環控制器，實現系統角位置閉環。
全文摘要
本發明提供的是一種懸吊平臺系統的方位控制系統及方法，本發明適用於懸吊平臺搭載具有高方位機動性、較大轉動慣量負載時的方位控制。針對方位角位置傳感器數據更新頻率較低的問題，在懸吊平臺方位角位置控制環路內部，增加一個以角速率陀螺的採樣信號作為反饋的平臺方位角速度控制環。具體實現方法為先測量功率放大裝置輸入信號到陀螺輸出信號的頻率特性，依據頻率特性設計控制算法；完成速度閉環之後，再根據速度閉環後系統頻率特性設計方位角位置控制器。角速率陀螺具有較高的數據更新速率，角速度控制環的帶寬往往高於角位置控制環，所以本發明可以提高懸吊平臺方位角位置控制環的響應速度和伺服剛度，提高方位控制系統的抗幹擾能力。
文檔編號G05D13/62GK102508502SQ201110338480
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月1日 優先權日2011年11月1日
發明者於偉, 劉興法, 包啟亮, 李志俊, 毛耀, 蔣晶, 馬佳光 申請人:中國科學院光電技術研究所