一种三轴惯性稳定平台系统伺服回路变增益控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种三轴惯性稳定平台系统伺服回路变增益控制方法，通过实时测量框架角度的值来计算转动惯量矩阵范数，以正实时修正伺服回路控制器的增益，消除转动惯量的变化对伺服回路的静态精度和动态精度影响。本发明专利技术首次给出了在载体相对平台台体任意姿态时的伺服回路单输入单输出控制方法，确保台体始终保持惯性空间稳定，实现了载体采用三轴稳定平台系统后的无约束轨迹运动。

【技术实现步骤摘要】
一种三轴惯性稳定平台系统伺服回路变增益控制方法
本专利技术涉及一种三轴稳定平台系统伺服回路变增益控制方法，尤其涉及三轴平台系统的伺服回路控制方法，主要用于实现全姿态高精度导航的航空、航天领域。
技术介绍
三轴惯性稳定平台系统能有效隔离运动载体的角运动扰动，使得惯性测量单元相对于惯性空间保持稳定，其包括台体、内框架、外框架和基座，其中，惯性测量单元安装在台体内，基座固连在运动载体上。其中，内框架和外框架组成的框架系统，用于为台体提供相对基座的旋转自由度，但由于框架系统和台体间存在着相对运动约束，所以框架系统的运动会对台体带来影响。这些影响包含基座与台体间的坐标变换、力矩变换，以及框架系统惯性干扰力矩对台体的作用等。在惯性稳定平台伺服系统工作时，框架系统的转动惯量最终通过惯性干扰力矩对台体的作用体现出来，包括转动惯量间的耦合、惯量积的耦合等，但最关键的是框架转动惯量在台体上的耦合。另外，为使台体相对惯性空间稳定，在台体上安装了三个陀螺仪作为伺服回路的敏感元件，但由于作为伺服回路执行机构的三个力矩电机分别装在台体轴、内框架轴和外框架轴上，在不同框架角时伺服回路存在着耦合。βyk为外框架绕内框架坐标系Yp1轴转动的角度；βzk为内框架绕台体坐标系Zp轴转动的角度。现有技术中都是取βyk、βzk为零时计算的转动惯量常值作为设计输入，这会带来以下两个问题：1.βyk、βzk为非零时的转动惯量的变化会导致系统的带宽变化，从而引起幅值裕度和相位裕度变化，影响伺服回路的稳定性；2.βyk、βzk为非零时的转动惯量的变化会引起伺服回路的静态精度和动态精度，因此，急需开展三轴惯性稳定平台系统伺服回路控制方法研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三轴惯性稳定平台系统伺服回路变增益控制方法，该方法可实现框架角变化时伺服回路性能保持不变，可以有效提高台体相对惯性空间的稳定精度和能力。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：一种三轴惯性稳定平台系统伺服回路变增益控制方法，其特征在于：基于三轴惯性稳定平台系统实现，所述稳定平台系统包括基座、外框架、内框架和台体，其中，外框架通过外框架轴与基座连接，内框架通过内框架轴与外框架连接，台体通过台体轴与内框架连接，对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系X1Y1Z1、外框架本体坐标系Xp2Yp2Zp2、内框架本体坐标系Xp1Yp1Zp1和台体本体坐标系XpYpZp；所述四个坐标系的原点重合，并且：台体本体坐标系的Zp轴与内框架本体坐标系的Zp1轴重合，外框架的本体坐标系的Yp2轴与内框架本体坐标系的Yp1轴重合，基座本体坐标系的X1轴与外框架本体坐标系的Xp2轴重合；其中，基座与载体固定连接，在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外框架坐标系的Xp2轴转动，外框架绕内框架坐标系的Yp1轴转动，内框架绕台体坐标系的Zp轴转动；所述三轴惯性稳定平台系统伺服回路变增益控制方法包括如下步骤：(1)根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，分别得到台体在Xp轴、Yp轴和Zp轴上的角速度分量(2)将台体在Zp轴上的角速度分量经过解耦后得到台体Zp轴的合成转动角速度ωz；将台体在Yp轴上的角速度分量经过解耦后得到内框架Yp1轴的合成转动角速度ωy；将台体在Xp轴上的角速度分量经过解耦后得到外框架Xp2轴的合成转动角速度ωx；(3)得到外框架绕内框架本体坐标系的Yp1轴转动的角度βyk＝0并且内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动的角度βzk＝0时的转动惯量：其中，分别为台体相对于Xp轴、Yp轴、Zp轴的转动惯量；分别为内框架相对于Xp1轴、Yp1轴轴的转动惯量；分别为外框架相对于Xp2轴、Yp2轴的转动惯量，为βyk＝0、并且βzk＝0时的台体本体坐标系的Xp轴合成转动惯量，为βyk＝0并且、βzk＝0时的台体本体坐标系的Yp轴合成转动惯量，为βyk＝0并且、βzk＝0时的台体本体坐标系的Zp轴合成转动惯量；(4)分别把作为Xp轴、Yp轴和Zp轴伺服回路的被控对象，根据性能指标要求设计控制器，得到台体本体坐标系的Xp轴控制器为Cx,0(s)、台体本体坐标系的Yp轴控制器为Cy,0(s)、台体本体坐标系的Zp轴控制器为的控制器分别为Cx,0(s)、Cy,0(s)、Cz,0(s)；其中，为力矩电机的传递函数，T为电机的时间常数，K0为电机的输出比例系数；ux、uy、uz分别为Xp轴、Yp轴和Zp轴伺服回路力矩电机的输入量；s为复变角频率，ωx(s)为Xp轴角速度ωx(t)的拉氏变换，ux(s)为Xp轴控制器输出量ux(t)的拉氏变换，ωy(s)为Yp轴角速度ωy(t)的拉氏变换，uy(s)为Yp轴控制器输出量uy(t)的拉氏变换，ωz(s)为Zp轴角速度ωz(t)的拉氏变换，uz(s)为Zp轴控制器输出量uz(t)的拉氏变换；t为时间变量；(5)当基座相对于台体处于任意姿态时，实时测量出βyk和βzk的值，计算出||Jp||的值；结合步骤(4)的台体本体坐标系的Xp轴控制器为Cx,0(s)、台体本体坐标系的Yp轴控制器为Cy,0(s)、台体本体坐标系的Zp轴控制器为Cz,0(s)，得到一组新的三轴平台伺服回路变增益控制器：其中，Cx(s)为根据测量角度βyk、和βzk计算的Xp轴控制器，Cy(s)为根据测量角度βyk、和βzk计算的Yp轴控制器，Cz(s)为根据测量角度βyk、和βzk计算的Zp轴控制器，Jp为三轴惯性稳定平台系统的台体合成转动惯量矩阵。上述三轴惯性稳定平台系统伺服回路变增益控制方法中，在步骤(2)中，解耦的步骤为：(21)得到三轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角度，包括：外框架绕内框架坐标系Yp1轴转动的角度βyk；内框架绕台体坐标系Zp轴转动的角度βzk；(22)得到三轴惯性稳定平台系统的转动惯量，包括：台体相对于Xp轴、Yp轴、Zp轴的转动惯量的内框架相对于Xp1轴、Yp1轴、Zp1轴的转动惯量的外框架相对于Xp2轴、Yp2轴、Zp2轴的转动惯量的(23)得到三轴惯性稳定平台系统的台体合成转动惯量矩阵Jp，包括：合成到台体Xp轴上的主转动惯量合成到台体Yp轴上的主转动惯量对Xp轴和YP轴的合成转动惯量积Jxy、对Xp轴和ZP轴的合成转动惯量积Jxz、对Yp轴和ZP轴的合成转动惯量积Jyz；具体计算公式如下：式中，(24)计算台体、内框架和外框架的合成转动角速度，具体计算公式如下：写为分量表达式，为其中，ωz为台体Zp轴的合成转动角速度；ωy为内框架Yp1轴的合成转动角速度；ωx为外框架Xp2轴的合成转动角速度。上述三轴惯性稳定平台系统伺服回路变增益控制方法中，在步骤(4)中，性能指标要求包括静态精度指标、动态精度指标和对象不确定性指标；其中，<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三轴惯性稳定平台系统伺服回路变增益控制方法，其特征在于：基于三轴惯性稳定平台系统实现，所述稳定平台系统包括基座、外框架、内框架和台体，其中，外框架通过外框架轴与基座连接，内框架通过内框架轴与外框架连接，台体通过台体轴与内框架连接，对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系X

【技术特征摘要】
1.一种三轴惯性稳定平台系统伺服回路变增益控制方法，其特征在于：基于三轴惯性稳定平台系统实现，所述稳定平台系统包括基座、外框架、内框架和台体，其中，外框架通过外框架轴与基座连接，内框架通过内框架轴与外框架连接，台体通过台体轴与内框架连接，对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系X1Y1Z1、外框架本体坐标系Xp2Yp2Zp2、内框架本体坐标系Xp1Yp1Zp1和台体本体坐标系XpYpZp；所述四个坐标系的原点重合，并且：台体本体坐标系的Zp轴与内框架本体坐标系的Zp1轴重合，外框架的本体坐标系的Yp2轴与内框架本体坐标系的Yp1轴重合，基座本体坐标系的X1轴与外框架本体坐标系的Xp2轴重合；其中，基座与载体固定连接，在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外框架坐标系的Xp2轴转动，外框架绕内框架坐标系的Yp1轴转动，内框架绕台体坐标系的Zp轴转动；
所述三轴惯性稳定平台系统伺服回路变增益控制方法包括如下步骤：
(1)根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，分别得到台体在Xp轴、Yp轴和Zp轴上的角速度分量
(2)将台体在Zp轴上的角速度分量经过解耦后得到台体Zp轴的合成转动角速度ωz；将台体在Yp轴上的角速度分量经过解耦后得到内框架Yp1轴的合成转动角速度ωy；将台体在Xp轴上的角速度分量经过解耦后得到外框架Xp2轴的合成转动角速度ωx；
(3)得到外框架绕内框架本体坐标系的Yp1轴转动的角度βyk＝0并且内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动的角度βzk＝0时的转动惯量：









其中，分别为台体相对于Xp轴、Yp轴、Zp轴的转动惯量；分别为内框架相对于Xp1轴、Yp1轴轴的转动惯量；分别为外框架相对于Xp2轴、Yp2轴的转动惯量，为βyk＝0、并且βzk＝0时的台体本体坐标系的Xp轴合成转动惯量，为βyk＝0并且、βzk＝0时的台体本体坐标系的Yp轴合成转动惯量，为βyk＝0并且、βzk＝0时的台体本体坐标系的Zp轴合成转动惯量；
(4)分别把作为Xp轴、Yp轴和Zp轴伺服回路的被控对象，根据性能指标要求设计控制器，得到台体本体坐标系的Xp轴控制器为Cx,0(s)、台体本体坐标系的Yp轴控制器为Cy,0(s)、台体本体坐标系的Zp轴控制器为的控制器分别为Cx,0(s)、Cy,0(s)、Cz,0(s)；其中，为力矩电机的传递函数，T为电机的时间常数，K0为电机的输出比例系数；ux、uy、uz分别为Xp轴、Yp轴和Zp轴伺服回路力矩电机的输入量；s为复变角频率，ωx(s)为Xp轴角速度ωx(t)的拉氏变换，ux(s)为Xp轴控制器输出量ux(t)的拉氏变换，ωy(s)为Yp轴角速度ωy(t)的拉氏变换，uy(s)为Yp轴控制器输出量uy(t)的拉氏变换，ωz(s)为Zp轴角速度ωz(t)的拉氏变换，uz(s)为Zp轴控制器输出量uz(t)的拉氏变换；t为时间变量；
(5)当基座相对于台体处于任意姿态时，实时测量出βyk和βzk的值，计算出||Jp||的值；结合步骤(4)的台体本体坐标系的Xp轴控制器为Cx,0(s)、台体本体坐标系的Yp轴控制器为Cy,0(s)、台体本体坐标系的Zp轴控制器为Cz,0(s)，得到一组新的三轴平台伺服回路变增益控制器：









其中，Cx(s)为根据测量角度βyk、和βzk计算的Xp轴控制器，Cy(s)为根据测量角度βyk、和βzk计算的Yp轴控制器，Cz(s)为根据测量角度βyk、和βzk计算的Zp轴控制器，Jp为三轴惯性稳定平台系统的台体合成转动惯量矩阵。

【专利技术属性】
技术研发人员：魏宗康，徐白描，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11