[發(fā)明專利]一種三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的伺服回路解耦方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010357233.2
• 申請日: 2020-04-29
• 公開（公告）號(hào): CN111623774B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏宗康
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號(hào): G01C21/18
• 分類號(hào): G01C21/18;G01C21/20;G01C21/24
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 臧春喜

本發(fā)明公開了一種三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的伺服回路解耦方法，以正交安裝于平臺(tái)臺(tái)體的3個(gè)陀螺儀輸出角速率作為解耦環(huán)節(jié)的輸入信息，通過轉(zhuǎn)動(dòng)慣量解耦和力矩解耦后輸出3個(gè)分別作用到臺(tái)體軸、內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸的軸端力矩電機(jī)。本發(fā)明首次給出了在載體相對平臺(tái)臺(tái)體任意姿態(tài)時(shí)，伺服回路由多變量控制到單輸入單輸出控制的方法，且臺(tái)體始終保持慣性空間穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了載體采用三軸穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)后的無約束軌跡運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于全姿態(tài)高精度導(dǎo)航的航空、航天技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的伺服回路解耦方法。

背景技術(shù)

三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)能有效隔離運(yùn)動(dòng)載體擾動(dòng)，使得慣性測量單元相對于慣性空間保持穩(wěn)定，包括臺(tái)體、內(nèi)框架、外框架和基座，其中，慣性測量單元安裝在臺(tái)體內(nèi)，外框架固連在運(yùn)動(dòng)載體上。其中，內(nèi)框架和外框架組成的框架系統(tǒng)，用于為臺(tái)體提供旋轉(zhuǎn)自由度，但由于框架系統(tǒng)和臺(tái)體間存在著相對運(yùn)動(dòng)約束，所以框架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)會(huì)對臺(tái)體帶來影響。這些影響包含基座與臺(tái)體間的坐標(biāo)變換、力矩變換，以及框架系統(tǒng)慣性干擾力矩對臺(tái)體的作用等。

在慣性穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)工作時(shí)，框架系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最終通過慣性干擾力矩對臺(tái)體的作用體現(xiàn)出來，包括轉(zhuǎn)動(dòng)慣量間的耦合、慣量積的耦合等，但最關(guān)鍵的是框架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在臺(tái)體上的耦合。

為使臺(tái)體相對慣性空間穩(wěn)定，在臺(tái)體上安裝了三個(gè)陀螺儀作為伺服回路的敏感元件，但由于作為伺服回路執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三個(gè)力矩電機(jī)分別裝在臺(tái)體軸、內(nèi)框架軸和外框架軸上，在不同框架角時(shí)伺服回路存在著耦合。

為此，在設(shè)計(jì)三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的伺服回路控制器時(shí)，需要進(jìn)行解耦。由于目前的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的內(nèi)框架角工作范圍較小，一般不會(huì)超過±40°的范圍，所以對伺服回路進(jìn)行解耦時(shí)只考慮了力矩解耦，即所謂的坐標(biāo)分解器。隨著內(nèi)框架角工作范圍達(dá)到±180°時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量耦合對伺服回路的影響不可忽略，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：1.三個(gè)回路交鏈的耦合作用會(huì)直接影響靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)精度；2.三個(gè)回路增益大小的變化會(huì)影響相位裕度。這些都會(huì)影響平臺(tái)臺(tái)體相對慣性空間的穩(wěn)定性和精度，因此，急需開展三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的伺服回路解耦方法研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的伺服回路解耦方法，可實(shí)現(xiàn)伺服回路對轉(zhuǎn)動(dòng)慣量耦合和框架力矩耦合的完全解耦，可以有效提高的臺(tái)體穩(wěn)定在慣性空間的精度和穩(wěn)定性。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的伺服回路解耦方法，包括：

確定三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

根據(jù)三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算得到三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體合成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣；

根據(jù)三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體合成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣，計(jì)算得到三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體、內(nèi)框架和外框架的合成轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

在上述三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的伺服回路解耦方法中，還包括：根據(jù)臺(tái)體上安裝的陀螺儀輸出的角速度，測量得到臺(tái)體在X_p軸、Y_p軸和Z_p軸上的角速度分量

在上述三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的伺服回路解耦方法中，還包括：測量得到外框架繞內(nèi)框架本體坐標(biāo)系Y_p1軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度β_yk、以及內(nèi)框架繞臺(tái)體本體坐標(biāo)系Z_p軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度β_zk。

在上述三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的伺服回路解耦方法中，三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，包括：臺(tái)體相對于X_p軸、Y_p軸、Z_p軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量內(nèi)框架相對于X_p1軸、Y_p1軸、Z_p1軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量外框架相對于X_p2軸、Y_p2軸、Z_p2軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量