一種基於廣義內模的三軸慣性穩定平臺偏心力矩補償方法

2023-05-04 21:28:36 1

專利名稱：一種基於廣義內模的三軸慣性穩定平臺偏心力矩補償方法
技術領域：
本發明涉及一種基於廣義內模的三軸慣性穩定平臺偏心力矩補償方法，屬於高解析度航空對地觀測系統領域，可用於穩定精度要求高的三軸慣性穩定平臺無靜差跟蹤控制，特別適合於輕小型高解析度航空遙感三軸慣性穩定平臺。
背景技術：
慣性穩定平臺是實現高解析度對地觀測的必要設備，它可以有效隔離飛行平臺的擾動及非理想姿態運動，使觀測載荷視軸指向和航向始終保持慣性空間穩定。目前，國外代表性產品為瑞士 Leica公司的PAV30和PAV80，而國內相關研究剛剛起步，無成熟產品。理想情況下不受幹擾力矩的影響，穩定平臺始終保持慣性空間穩定，但是由於實際加工誤差、配重不均等因素，平臺的質心和框架軸心不同心，存在一定的偏心距，所以在重力加速度和運動幹擾加速度的作用下，平臺的運動會受到偏心力矩的影響，從而影響其穩定精度等性能指標；質量、偏心距和運動幹擾加速度越大，偏心力矩越大，穩定精度越差， 所以必須採取措施抑制偏心力矩的作用。對於慣性穩定平臺偏心力矩的補償方法，目前已經申請了一篇專利「一種航空遙感慣性穩定平臺不平衡力矩估計與補償方法」(申請號 200910241242. 9)，該方法通過安裝在平臺上的MEMS加速度計測量出天向加速度和運動幹擾加速度，採用低通濾波法對電流信息進行濾波，將偏心力矩估計出來，並採用前饋方法進行補償，在一定程度上可以抑制偏心力矩的作用，但是存在以下三方面的不足第一、對於三軸慣性穩定平臺而言，採用此方法需要在各個框架分別安裝三個MEMS加速度計，平臺體積質量都相應加大，不利於其輕小型結構設計；第二、MEMS加速度計的零偏穩定性和重複性都較差，測量值含有較大噪聲，在前饋補償時引入未知的擾動因素；第三、對於平臺實時控制系統而言，Butterworth低通濾波器較難實現，同時低通濾波性會影響擾動抑制能力。 所以，綜上所述，該方法物理上較難實現，這直接限制了在實際工作中的應用能力。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術通過增加測量元件來實現偏心力矩的估計和補償的缺陷，提供一種可以在原有系統組件的基礎上通過設計控制器來補償偏心力矩的方法，不增加體積質量，而且簡單、可靠。本發明的技術解決方案為一種基於廣義內模的三軸慣性穩定平臺偏心力矩補償方法，實現步驟如下(1)採用安裝在三軸慣性穩定平臺框架軸上的速率陀螺測量出三軸慣性穩定平臺的角速率信息《。ut，所述角速率信息包含了電機控制力矩和偏心力矩同時作用下三軸慣性穩定平臺的角速率信息；(2)將步驟⑴中得到的角速率信息《。ut與角速率設定值Cosrt作差，得到角速率誤差 e = Qset-COout ；(3)將步驟(2)中得到的角速率誤差e帶入到伺服補償器中去，得到伺服補償器控制量伺服補償器的狀態空間方程為夂=AeXe+Bee，控制量化=Kexe，其中K為伺服補償器系統矩陣，Be為伺服補償器控制輸入矩陣，Ke為伺服補償器狀態反饋矩陣，xe為伺服補償器狀態變量，Ue為伺服補償器控制量；(4)採用串聯在電機迴路中的電流傳感器測量出安裝在三軸慣性穩定平臺框架上的力矩電機的電流信息i。ut，同時結合步驟(1)中得到的角速率信息《_帶入到鎮定補償器中去，得到鎮定補償器控制量u2 = Kx，x= [co。ut iout]『，其中K為鎮定補償器狀態反饋矩陣，U2為鎮定補償器控制量；(5)將步驟(3)中得到的伺服補償器控制量Ue與步驟(5)中得到的鎮定補償器控制量U2作差，得到廣義內模控制算法控制量U = Ue-U2 ；(6)將步驟(5)中得到的廣義內模控制算法控制量u帶入到在參考輸入r和偏心力矩Td作用下的原速率開環系統(如附

圖1中的原速率開環系統)中去，實現偏心力矩的補償，最終實現系統的無靜差跟蹤。原速率開環系統即三軸慣性穩定平臺速率開環系統，它的輸入為廣義內模控制量
u，輸出為角速率《。ut，設原速率開環系統的狀態空間方程為
\x = Ax +Bu+ BdTd
y = Cx+ Du+ DdTd
；其中，χ
為原速率開環系統的狀態變量，X= ["out iout] 『 ；A為原速率開環系統的系統矩陣；B為原速率開環系統的控制輸入矩陣；~原速率開環系統的偏心力矩輸入矩陣；Td為偏心力矩；y 為原速率開環系統的輸出變量，y= 。ut ；C為原速率開環系統的輸出矩陣；D為原速率開環系統的傳輸矩陣；Dd為原速率開環系統的偏心力矩輸出矩陣；u為控制輸入；所述步驟(3)中的伺服補償器系統矩陣Ae、伺服補償器控制輸入矩陣Be、伺服補償器狀態反饋矩陣Ke和鎮定補償器的狀態反饋矩陣K具體得到步驟如下(31)首先確定參考輸入和偏心力矩Td模型的共同不穩定模型，得到參考輸入ω set和偏心力矩Td兩個不穩定模型的最小公倍式Φ (s) = S1+ α hS1—1+…+ α ^1+ α 0, 參考輸入和偏心力矩Td模型已知，則係數α。 Ciw均為已知量；1為Φ⑷的最高次項，s為頻域符號，％ α η為Φ (s)的各次項係數。(32)由Φ (S)的係數α Q α κ確定出分塊係數矩陣Γ w和β w， 0 [0.
Γ/*/ =
0
I1
'β!η =
；其中，1為Φ (s)的最高次項，α 0 α κ為φ (s)的
Qi0 Q1 … c^l-I1
各次項係數，I1-!為1-1階單位陣； (33)由步驟(32)得到的分塊係數矩陣β 1#1，得到伺服補償器狀態空間方
程的係數矩陣Ae和控制輸入矩陣禮，其中，式=
Γ
in
Γ
in
,B。=
βι*\
βι*\
，這樣就
得到伺服補償器的狀態空間方程夂=Axe+Bee ；伺服補償器狀態反饋矩陣Ke和鎮定補償器的狀態反饋矩陣K ；(34)將步驟(33)得到的伺服補償器狀態空間方程與原速率開環系統狀態空間方程進行組合，得到最終串聯繫統的狀態空間方程
權利要求
1.一種基於廣義內模的三軸慣性穩定平臺偏心力矩補償方法，其特徵在於實現步驟如下(1)採用安裝在三軸慣性穩定平臺框架軸上的速率陀螺測量出三軸慣性穩定平臺的角速率信息ω。ut，所述角速率信息包含了電機控制力矩和偏心力矩同時作用下三軸慣性穩定平臺的角速率信息；(2)將步驟(1)中得到的角速率信息ω_與角速率設定值Cosrt作差，得到角速率誤差
2.根據權利要求1所述的基於廣義內模的三軸慣性穩定平臺偏心力矩補償方法，其特徵在於所述步驟⑶中的伺服補償器系統矩陣Ae、伺服補償器控制輸入矩陣Be、伺服補償器狀態反饋矩陣Ke和鎮定補償器的狀態反饋矩陣K具體得到步驟如下(31)首先確定參考輸入和偏心力矩Td模型的共同不穩定模型，得到參考輸入 ω srt和偏心力矩Td兩個不穩定模型的最小公倍式Φ (s) = ska乂+α。，參考輸入coset和偏心力矩Td模型已知，則係數α ^ α η均為已知量；1為φ (s)的最高次項， s為頻域符號，α Q α η為Φ (s)的各次項係數；(32)由Φ(S)的係數％ CIh確定出分塊係數矩陣和β 1#1，
全文摘要
一種基於廣義內模的三軸慣性穩定平臺偏心力矩補償方法。該方法通過建立三軸慣性穩定平臺控制系統狀態空間方程，根據速率陀螺實時測量出的平臺角速率信息和電流傳感器實時測量出的電流信息，將參考輸入和偏心力矩的共同不穩定模型植入系統內部，通過廣義內模控制算法達到無靜差跟蹤控制的目的，內模控制器包括伺服補償器和鎮定補償器。該發明提高了擾動抑制能力，實現了無靜差跟蹤，具有較強的魯棒性能。
文檔編號G05D13/62GK102508503SQ201110339618
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
發明者房建成, 李樹勝, 趙巖, 鍾麥英 申請人:北京航空航天大學