一種三軸穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的伺服回路解耦方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種=軸穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的伺服回路解禪方法，尤其設(shè)及=軸平臺系統(tǒng) 的伺服回路多變量解禪方法，主要用于實現(xiàn)全姿態(tài)高精度導(dǎo)航的航空、航天領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] =軸穩(wěn)定平臺已廣泛地用于機動姿態(tài)有限的載體上，即用于在飛行中不會同時繞 兩個軸出現(xiàn)大姿態(tài)角的載體中。但有時由于運載火箭和彈道式導(dǎo)彈要做機動變軌飛行；特 別是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、衛(wèi)星W及許多軍用飛機需要在全姿態(tài)、大機動狀態(tài)下工作。在運樣條件下， 要求平臺臺體仍能保持穩(wěn)定。
[0003] 由于=軸穩(wěn)定平臺系統(tǒng)存在"框架鎖定"現(xiàn)象，即內(nèi)框架和外框架在一個平面內(nèi)， 此時，臺體軸、內(nèi)框架軸和外框架軸也同時在一個平面內(nèi)，從而使平臺失去一個自由度。另 一方面，原來用于控制外框架軸的巧螺儀不能感受到外框架軸的轉(zhuǎn)動，從而失去了對外框 架軸的控制作用。
[0004] 為了消除在內(nèi)框架角為90°時穩(wěn)定回路的失控，避免框架系統(tǒng)得鎖定，目前，S軸 穩(wěn)定平臺系統(tǒng)主要的解決措施是在內(nèi)框架增加擋釘，W限制內(nèi)框架角的運動范圍。比如，通 過增加擋釘使內(nèi)框架角工作在±20°或±40°的范圍內(nèi)?，F(xiàn)有措施只能滿足機動姿態(tài)有 限的載體上，難W滿足載體大機動運動的要求。 陽0化]下面介紹現(xiàn)有的具體技術(shù)情況。
[0006] 首先，=軸慣性平臺系統(tǒng)的坐標系定義如圖1所示，描述了 =軸平臺各框架坐標 系之間關(guān)系的示意圖。在圖1中，設(shè)為內(nèi)框架相對臺體的相對角速度，戶^為外框架相對 內(nèi)框架的相對角速度，爲*為為基座（箭體）相對外框架的相對角速度。
[0007] 設(shè)兩。y。、疋。一一為臺體（包括巧螺儀殼體）對Xp、Yp、Zp軸的轉(zhuǎn)動慣量； 人P1、--為內(nèi)框架對Xpi、Ypi、Zpi軸的轉(zhuǎn)動慣量；Jr,,:、--為外框架 對Xp2、Yp2、Zp2軸的轉(zhuǎn)動慣量。定義為折合到臺體軸Xp的轉(zhuǎn)動慣量，為折合到臺體軸Yp的轉(zhuǎn)動慣量Jyy、Ju、Jy.為框架系統(tǒng)的等效慣量積。
CN 1051巧503 A 說明書 2/7頁
陽013]設(shè)Mzp為臺體軸干擾力矩，^鳥。為臺體軸力矩電機反饋力矩；為內(nèi)框架軸干 擾力矩，％卸為內(nèi)框架軸力矩電機反饋力矩；Af*,:為外框架軸干擾力矩，Ma。為外框架軸 力矩電機反饋力矩；則=軸慣性平臺系統(tǒng)的各軸端力矩作用到臺體=軸的合成力矩為
[0016] 設(shè)?*,、?y。、--分別為臺體繞Xp、yp、Zp軸的絕對角速度，可通過正交安裝于 臺體的巧螺儀測量得到；則=軸慣性平臺系統(tǒng)的臺體動力學方程為
[001引可W看出，在3個巧螺儀角速率@?。、％,、信息已知時，有3個控制執(zhí)行環(huán)節(jié)W占。、M0,,、M0,:。設(shè)力矩變換矩陣為
[0020] 目前的解禪方式是，在臺體受到干擾力矩時，穩(wěn)定回路參與工作，通過電路或算法 坐標變換實現(xiàn)解禪，產(chǎn)生電機力矩。其坐標變換矩陣為：
[
陽02引在Pyk趨于±90。時，存在奇異值，secPyk趨于無窮大。但采用電路實現(xiàn)secPyk比較困難，所W正如前面所述，比較現(xiàn)實的辦法就是使Pyk=0°，此時，有平面坐標分解 器，即 CN1051巧503A 說明書 3/7頁
[0024] 采用該平面坐標分解器的=軸穩(wěn)定平臺的伺服系統(tǒng)如圖2所示。但缺點是內(nèi)框架 的工作范圍不能太大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025] 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=軸慣性平臺系統(tǒng)伺服 回路解禪方法，該方法在任意框架角情況下都無奇異值，可W有效提高載體無軌跡約束條 件下的全姿態(tài)適應(yīng)能力。
[00%] 本發(fā)明的上述目的通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0027] 一種=軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的伺服回路解禪方法，基于=軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)實 現(xiàn)，所述穩(wěn)定平臺系統(tǒng)包括基座、外框架、內(nèi)框架和臺體，對應(yīng)的本體坐標系分別為基座本 體坐標系XAZi、外框架本體坐標系XpzYpzZpz、內(nèi)框架本體坐標系XpiYpiZpi和臺體本體坐標系 XpYpZp;所述四個坐標系的原點重合，并且：臺體本體坐標系的Zp軸與內(nèi)框架本體坐標系的 Zpi軸重合，外框架的本體坐標系的YP2軸與內(nèi)框架本體坐標系的Ypi軸重合，基座本體坐標 系的Xi軸與外框架本體坐標系的Xp2軸重合；其中，基座與載體固連，在所述穩(wěn)定平臺系統(tǒng) 在載體帶動下發(fā)生內(nèi)部相對轉(zhuǎn)動時，基座繞外框架本體坐標系的Xp2軸轉(zhuǎn)動，外框架繞內(nèi)框 架本體坐標系的Ypi軸轉(zhuǎn)動，內(nèi)框架繞臺體本體坐標系的ZP軸轉(zhuǎn)動；
[0028] 所述=軸慣性平臺系統(tǒng)伺服回路解禪方法實現(xiàn)步驟如下：
[0029] (1)、根據(jù)臺體上安裝的巧螺儀輸出的角速度，得到臺體在Xp軸、YP軸和ZP軸上的 角速度分量巧、巧.、似
[0030] 似、測量得到立軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)內(nèi)部相對轉(zhuǎn)動的角度和角速度，包括：基座 繞外框架本體坐標系的Xp2軸轉(zhuǎn)動的角度Pyk，外框架繞內(nèi)框架本體坐標系的Ypi軸轉(zhuǎn)動的 角度Pyk，內(nèi)框架繞臺體本體坐標系的Zp軸轉(zhuǎn)動的角度P和角速度處
[0031] (3)、計算臺體、內(nèi)框架和外框架的轉(zhuǎn)動角速度，具體計算公式如下：
[0035] 其中，W.為臺體Zp軸的合成轉(zhuǎn)動角速度；《y為內(nèi)框架Ypi軸的合成轉(zhuǎn)動角速度； ?、為外框架XP2軸的合成轉(zhuǎn)動角速度。
[0036] 上述=軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的伺服回路解禪方法，在步驟（2)中，通過如下方法 測量得到=軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)內(nèi)部相對轉(zhuǎn)動角度和角速度：
[0037] 在外框架的Xp2軸上安裝角度傳感器，測量得到基座繞外框架本體坐標系的Xp2軸 轉(zhuǎn)動的角度Pyk;在內(nèi)框架的YP1軸上安裝角度傳感器，測量得到外框架繞內(nèi)框架本體坐標 系的Ypl軸轉(zhuǎn)動的角度Pyk和角速度;在臺體Zp軸上安裝傳感器測量內(nèi)框架繞臺體本體 坐標系的Zp軸轉(zhuǎn)動的角度P和角速度皮,;。
[003引上述S軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的伺服回路解禪方法，在步驟似中，轉(zhuǎn)動角度Pyk、Pyk、的取值范圍為0~360°。
[0039] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點如下： W40] (1)、本發(fā)明給出的一種立軸慣性平臺系統(tǒng)的伺服回路解禪方法，完全覆蓋了 3個 姿態(tài)角在任意象限的情況，克服了原有技術(shù)在內(nèi)框架角Pyk= ±90°時的奇異值問題；
[0041] (2)、本發(fā)明給出了一種=軸慣性平臺系統(tǒng)的伺服回路解禪方法，各環(huán)節(jié)是在原角 速率基礎(chǔ)上的正弦和余弦分量，不存在增益放大的情況，避免了secPyk增益趨于無窮大的 問題。
【附圖說明】
[0042] 圖1為=軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)中=個本體坐標之間的關(guān)系示意圖；
[0043] 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中采用的解禪方案中=軸慣性穩(wěn)定平臺伺服回路原理框圖；
[0044] 圖3為本發(fā)明的=軸慣性平臺系統(tǒng)伺服回路解禪方法的流程圖；
[0045] 圖4為本發(fā)明采用的解禪方案中=軸慣性穩(wěn)定平臺伺服回路原理框圖。
【具體實施方式】
[0046] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述：
[0047] 本發(fā)明的S軸慣性平臺系統(tǒng)的伺服回路解禪方法，通過增加一個觀測量一一臺體 軸角速率