一種基於加速度反饋與前饋的慣性穩定裝置及其控制方法

2023-10-31 21:25:47 1

專利名稱：一種基於加速度反饋與前饋的慣性穩定裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及慣性穩定的技術領域，具體涉及一種基於加速度反饋與前饋的慣性穩定裝置及其控制方法，可用於高精度慣性平臺的穩定。
背景技術：
慣性穩定平臺廣泛應用在航空、航天、航海等領域中，是現代生活不可缺少的關鍵技術。其主要作用是隔離外界幹擾，在慣性空間內保持穩定。而慣性穩定控制技術主要以陀螺為關鍵器件，但是由於機械結構、傳感器等條件的限制，很難提高陀螺閉環帶寬。在很多惡劣的環境中，比如劇烈的風力矩、基座的擾動力矩等，基於陀螺穩定的系統不能很好地滿足工程要求。在工程實現上，很多的控制技術諸如自適應控制、非線性控制、智能控制等都有相應的不足。而基於擾動的前饋控制被認為是一種很好的控制方法，但是由於模型不確定性、前饋信號精確獲取、控制方式等問題，控制效果不是很明顯。加速度反饋可以顯著地提高控制系統性能。將加速度反饋應用在控制系統中已經有很多文獻如(Contact transition control via joint acceleration feedback. IEEE transactions on industrial electronics, Vol.47, No. 1,2004.)> (Acceleration Feedback Control for Low Velocity Friction in Servo Control System. Vol.7281, SPIE，2008.)、(負載加速度反饋的伺服系統諧振抑制.光電工程，2007,34(7))。而將加速度反饋與前饋的控制方法用於慣性穩定平臺中，隔離基座的擾動，提高穩定能力，目前還是存在理論分析階段。這主要是由於角加速度的獲取以及加速度反饋與前饋控制方式等都給工程實現帶來了諸多問題。

發明內容
本發明要解決的技術問題為克服以上提到的現有技術的不足，提供一種基於加速度反饋與前饋的慣性穩定裝置及其控制方法，可以有效地提高系統穩定能力，並且本發明簡單可靠，工程實現容易。本發明解決上述技術問題的技術方案為一種基於加速度反饋與前饋的慣性穩定裝置，其特徵在於由伺服轉臺1、基座2、伺服控制器3組成，其中伺服轉臺上裝有兩個線加速度計4，5用於測量伺服轉臺1的角加速度；陀螺6用於測量伺服轉臺1的角速度。在基座2上同樣安裝有兩個線加速度計7，8用於測量基座2擾動角加速度。進一步的，實現該裝置的控制方法是穩定控制方式為反饋與前饋兩種模式的複合控制。具體就是利用實際測量轉臺的加速度信息實現加速度反饋，形成內穩定迴路，陀螺反饋為外穩定迴路；利用實際測量基座的角加速度經過一個低通濾波器後，將此信息前饋到加速度反饋輸入的節點處。進一步的，低通濾波器的帶寬太寬、太低都不會給系統帶來很好的效果。而應該在不超過加速度閉環帶寬內，根據擾動信號的頻率特性而設置。同時，前饋控制能夠實現的條件是加速度反饋迴路高增益的作用，從而使得加速
3度閉環近似為常數環節。這要求限制了加速度控制器中必須含有積分器，這樣才能獲得高增益。本發明相對於現有技術的優點為(1)本發明相比陀螺穩定系統，可以有效地提高系統穩定能力。(2)本發明僅僅增加了加速度傳感器，方法簡單可靠，工程實現容易。(3)本發明採用了基於加速度反饋與前饋的控制方法，閉環系統具有良好的快速性、魯棒性。


圖1 本發明一種基於加速度反饋與前饋的慣性穩定裝置示意圖；圖中，1為伺服轉臺、2為基座、3為伺服控制器；4、5、7、8均為線加速度計；6為陀螺。圖2:本發明控制結構圖；圖中，基座傳遞函數特性=G1 ； 轉臺傳遞函數特性G ；前饋控制器Cff ；速度控制器CV ；加速度控制器Ca;擾動Td;速度輸入R ；速度輸出Y。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明，本領域的技術人員可根據本說明書揭示的內容了解本發明的功效及優點。如圖1所示，基於加速度反饋與前饋的慣性穩定裝置包括伺服轉臺1、基座2和伺服控制器3，其中伺服轉臺1上裝有兩個線加速度計4以及5，用於測量伺服轉臺1的角加速度；陀螺6用於測量伺服轉臺1的角速度。在基座2上同樣安裝有兩個線加速度計7以及8，用於測量基座2擾動角加速度。在這裡應注意到，陀螺6敏感軸應平行於伺服轉臺1 的旋轉軸，而線加速度計4以及5的敏感軸應為伺服轉臺1旋轉的切線方向，同樣線加速度計7以及線加速度計8的敏感軸應垂直基座2的側端面；伺服控制器3用於慣性穩定裝置的閉環控制，具體包含功率驅動、控制板卡、數據採集單元(數據採集單元包括模擬電路預處理單元、A/D、D/A)、驅動電源等。通過數據採集單元獲取陀螺6、線加速度計4、5、7及8的模擬信號。採用線加速度計4、5輸出值相減並乘於一個比率係數就是可以得到伺服轉臺1的角加速度信號。同理，採用線加速度計7、8 輸出值相減並乘於一個比率係數就是可以得到基座2的角加速度信號。該方法即參考文獻 (Contact transition control via joint acceleration feedback. IEEE transactions on industrial electronics, Vol. 47, No. 1,2004.)介紹的方法，分別得到伺服轉臺 1、基座2的角加速度信號。陀螺或測速機都可以得到轉臺的速度信號，只是測量的原理和用途不一樣，採用它們之一所構成的速度反饋是控制系統領域非常常見的。於是，按照經典的頻率設計方法很容易實現反饋迴路加速度內迴路、陀螺外迴路。值得特別注意的是加速度前饋信號應通過一個低通濾波器消除高頻信號，然後引入加速度反饋輸入的節點處。按照上述方法能夠實現該方法的原理如下根據一般彈性系統可以得到電機-負載數學模型公式(1)，G = — = ^ ----(1)
、(Jm + Jl ) JJl KJm +JL)s2+dss+K其中，JL, Jm分別是負載和電機轉動慣量；θ、·θ、g分別為電機轉角、角速度、角加速度；K是負載和電機連接軸剛度；τω是電機提供的力矩；ds是阻尼係數。由控制結構圖1 可以知道，該方法穩定能力為
G1----G^ + G1
Td l + GaGs ff,、-^ =-- (2)
sl + GaG
/X-I由公式⑵可以知道當時，也就是前饋控制器中包含加
速度信息，就可以完全消除擾動的影響。如果沒有加速度反饋迴路，由控制結構圖1可以知道
τ G1G- G^ + G1-f = ^^--(3)顯然，加速度前饋控制器才能消除擾動的影響，這種分析似乎也是
正確的。但是如果沒有加速度迴路，控制對象模型不會表現如公式(1)的固定特性，在受到
外界幹擾的情況下，會發生變化，於是加速度前饋就是失敗的。而加速度閉環後Y^g = I
在加速度閉環帶寬內是完全成立的，因此，在加速度反饋的基礎上施加加速度前饋是完全可行的。這裡隱含的一個要求就是加速度反饋控制器必須提供很高的控制器增益，也就是說應該含有積分器。 對加速度前饋信號進行低通濾波器處理主要是為了防止高頻信號的幹擾。低通濾波器的帶寬太寬、太低都不會給系統帶來很好的效果，而應該在不超過加速度閉環帶寬內， 根據擾動信號的頻率特性而設置。 如果只有陀螺穩定迴路(當前穩定方法)，可以知道系統穩定能力為
-^ = ^ ^(4)
_ ,7 1 + IGGv比較公式O)、⑷可以明顯知道本發明的有效性。諸如文獻(Acceleration Feedback Control for Low Velocity Friction in Servo Control System. Vol. 7281，SPIE，2008.)、(負載加速度反饋的伺服系統諧振抑制.光電工程，2007，34 (7))，所述克服摩擦、抑制機械諧振等優點，本發明同樣具有，即由於採用了高增益的加速度反饋控制器，比以往單純的速度反饋系統來說應該看到加速度反饋給控制系統帶來的好處比如克服摩擦、抑制機械諧振、提高控制系統響應等優點，本發明同樣具有。
5
本發明未詳細闡述的部分屬於本領域公知技術。但上述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書限定的全部內容；而且通過上述實施例對本領域的技術人員即可以實現本發明權利要求書的全部內容。
權利要求
1.一種基於加速度反饋與前饋的慣性穩定裝置，其特徵在於該慣性穩定裝置包括伺服轉臺(1)、基座(2)和伺服控制器⑶，其中伺服轉臺(1)上裝有2個線加速度計(4，5)用於測量伺服轉臺(1)的角加速度；陀螺 (6)用於測量伺服轉臺(1)的角速度；基座(2)上也安裝有2個線加速度計(7，8)，用於測量基座(2)擾動角加速度；陀螺(6) 敏感軸應平行於伺服轉臺(1)的旋轉軸，而線加速度計以及線加速度計(5)的敏感軸應為伺服轉臺(1)旋轉的切線方向，同樣線加速度計(7)以及線加速度計(8)的敏感軸應垂直基座O)的側端面；伺服控制器C3)用於慣性穩定裝置的閉環控制，具體包含功率驅動、控制板卡、數據採集單元、驅動電源；通過數據採集單元獲取陀螺(6)、上述4個線加速度計0、5、7、8)的模擬信號；採用線加速度計(4、5)輸出值相減並乘於一個比率係數就是可以得到伺服轉臺 (1)的角加速度信號；同理，採用線加速度計(7、8)輸出值相減並乘於一個比率係數就是可以得到基座O)的角加速度信號。
2.一種基於加速度反饋與前饋的慣性穩定裝置的控制方法，其中，基於加速度反饋與前饋的慣性穩定裝置為權利要求1所述的基於加速度反饋與前饋的慣性穩定裝置，其特徵在於所述的控制方法的穩定方式為加速度反饋與前饋兩種模式的結合；即利用實際測量轉臺的加速度信息實現加速度反饋，形成內穩定迴路，陀螺反饋為外穩定迴路；利用實際測量基座的角加速度經過一個低通濾波器後，將此信息前饋到加速度反饋輸入的節點處。
3.根據權利要求2所述的控制方法，其特徵在於所述的低通濾波器的帶寬不應超過加速度閉環帶寬。
4.根據權利要求2所述的控制方法，其特徵在於加速度反饋的控制不能只採用比例控制器，而是必須含有積分器，這樣才能獲得高增益，從而保證加速度前饋的實施。
全文摘要
本發明公開了一種基於加速度反饋與前饋的慣性穩定裝置及其控制方法，該慣性穩定裝置包括加速度計、陀螺、轉臺、基座、伺服控制器；該控制方法是反饋與前饋相結合的複合控制，具體方法如下反饋穩定迴路包含加速度內迴路和陀螺外迴路，其中加速度反饋信號是由加速度計實際測量得到；加速度前饋信號是由安裝在基座上的加速度計提供，將該信號經過一個低通濾波器後引入到加速度反饋輸入的節點處。本發明具有結構簡單、魯棒性好、穩定性能高、非常利於工程實現。
文檔編號G05D13/62GK102506860SQ201110383308
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月26日 優先權日2011年11月26日
發明者付承毓, 任戈, 劉儒貞, 包啟亮, 唐濤, 扈宏毅, 黃永梅 申請人:中國科學院光電技術研究所