專利名稱：一種基于廣義內(nèi)模的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)偏心力矩補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于廣義內(nèi)模的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)偏心力矩補(bǔ)償方法，屬于高分辨率航空對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)領(lǐng)域，可用于穩(wěn)定精度要求高的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)無靜差跟蹤控制，特別適合于輕小型高分辨率航空遙感三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)。
背景技術(shù)：
慣性穩(wěn)定平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)高分辨率對(duì)地觀測(cè)的必要設(shè)備，它可以有效隔離飛行平臺(tái)的擾動(dòng)及非理想姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，使觀測(cè)載荷視軸指向和航向始終保持慣性空間穩(wěn)定。目前，國(guó)外代表性產(chǎn)品為瑞士 Leica公司的PAV30和PAV80，而國(guó)內(nèi)相關(guān)研究剛剛起步，無成熟產(chǎn)品。理想情況下不受干擾力矩的影響，穩(wěn)定平臺(tái)始終保持慣性空間穩(wěn)定，但是由于實(shí)際加工誤差、配重不均等因素，平臺(tái)的質(zhì)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(yùn)動(dòng)干擾加速度的作用下，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到偏心力矩的影響，從而影響其穩(wěn)定精度等性能指標(biāo)；質(zhì)量、偏心距和運(yùn)動(dòng)干擾加速度越大，偏心力矩越大，穩(wěn)定精度越差， 所以必須采取措施抑制偏心力矩的作用。對(duì)于慣性穩(wěn)定平臺(tái)偏心力矩的補(bǔ)償方法，目前已經(jīng)申請(qǐng)了一篇專利“一種航空遙感慣性穩(wěn)定平臺(tái)不平衡力矩估計(jì)與補(bǔ)償方法”(申請(qǐng)?zhí)?200910241242. 9)，該方法通過安裝在平臺(tái)上的MEMS加速度計(jì)測(cè)量出天向加速度和運(yùn)動(dòng)干擾加速度，采用低通濾波法對(duì)電流信息進(jìn)行濾波，將偏心力矩估計(jì)出來，并采用前饋方法進(jìn)行補(bǔ)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(duì)于三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)而言，采用此方法需要在各個(gè)框架分別安裝三個(gè)MEMS加速度計(jì)，平臺(tái)體積質(zhì)量都相應(yīng)加大，不利于其輕小型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第二、MEMS加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性和重復(fù)性都較差，測(cè)量值含有較大噪聲，在前饋補(bǔ)償時(shí)引入未知的擾動(dòng)因素；第三、對(duì)于平臺(tái)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)而言，Butterworth低通濾波器較難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)低通濾波性會(huì)影響擾動(dòng)抑制能力。 所以，綜上所述，該方法物理上較難實(shí)現(xiàn)，這直接限制了在實(shí)際工作中的應(yīng)用能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)通過增加測(cè)量元件來實(shí)現(xiàn)偏心力矩的估計(jì)和補(bǔ)償?shù)娜毕?，提供一種可以在原有系統(tǒng)組件的基礎(chǔ)上通過設(shè)計(jì)控制器來補(bǔ)償偏心力矩的方法，不增加體積質(zhì)量，而且簡(jiǎn)單、可靠。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種基于廣義內(nèi)模的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)偏心力矩補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)采用安裝在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)框架軸上的速率陀螺測(cè)量出三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)的角速率信息《。ut，所述角速率信息包含了電機(jī)控制力矩和偏心力矩同時(shí)作用下三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)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(shè)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(bǔ)償器中去，得到伺服補(bǔ)償器控制量伺服補(bǔ)償器的狀態(tài)空間方程為夂=AeXe+Bee，控制量化=Kexe，其中K為伺服補(bǔ)償器系統(tǒng)矩陣，Be為伺服補(bǔ)償器控制輸入矩陣，Ke為伺服補(bǔ)償器狀態(tài)反饋矩陣，xe為伺服補(bǔ)償器狀態(tài)變量，Ue為伺服補(bǔ)償器控制量；(4)采用串聯(lián)在電機(jī)回路中的電流傳感器測(cè)量出安裝在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)框架上的力矩電機(jī)的電流信息i。ut，同時(shí)結(jié)合步驟(1)中得到的角速率信息《_帶入到鎮(zhèn)定補(bǔ)償器中去，得到鎮(zhèn)定補(bǔ)償器控制量u2 = Kx，x= [co。ut iout]‘，其中K為鎮(zhèn)定補(bǔ)償器狀態(tài)反饋矩陣，U2為鎮(zhèn)定補(bǔ)償器控制量；(5)將步驟(3)中得到的伺服補(bǔ)償器控制量Ue與步驟(5)中得到的鎮(zhèn)定補(bǔ)償器控制量U2作差，得到廣義內(nèi)?？刂扑惴刂屏縐 = Ue-U2 ；(6)將步驟(5)中得到的廣義內(nèi)?？刂扑惴刂屏縰帶入到在參考輸入r和偏心力矩Td作用下的原速率開環(huán)系統(tǒng)(如附

圖1中的原速率開環(huán)系統(tǒng))中去，實(shí)現(xiàn)偏心力矩的補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差跟蹤。原速率開環(huán)系統(tǒng)即三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)速率開環(huán)系統(tǒng)，它的輸入為廣義內(nèi)?？刂屏?br> u，輸出為角速率《。ut，設(shè)原速率開環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為
\x = Ax +Bu+ BdTd
y = Cx+ Du+ DdTd
；其中，χ
為原速率開環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)變量，X= ["out iout] ‘ ；A為原速率開環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)矩陣；B為原速率開環(huán)系統(tǒng)的控制輸入矩陣；~原速率開環(huán)系統(tǒng)的偏心力矩輸入矩陣；Td為偏心力矩；y 為原速率開環(huán)系統(tǒng)的輸出變量，y= 。ut ；C為原速率開環(huán)系統(tǒng)的輸出矩陣；D為原速率開環(huán)系統(tǒng)的傳輸矩陣；Dd為原速率開環(huán)系統(tǒng)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(bǔ)償器系統(tǒng)矩陣Ae、伺服補(bǔ)償器控制輸入矩陣Be、伺服補(bǔ)償器狀態(tài)反饋矩陣Ke和鎮(zhèn)定補(bǔ)償器的狀態(tài)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(wěn)定模型，得到參考輸入ω set和偏心力矩Td兩個(gè)不穩(wěn)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，則系數(shù)α。 Ciw均為已知量；1為Φ⑷的最高次項(xiàng)，s為頻域符號(hào)，％ α η為Φ (s)的各次項(xiàng)系數(shù)。(32)由Φ (S)的系數(shù)α Q α κ確定出分塊系數(shù)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(xiàng)，α 0 α κ為φ (s)的
Qi0 Q1 … c^l-I1
各次項(xiàng)系數(shù)，I1-!為1-1階單位陣； (33)由步驟(32)得到的分塊系數(shù)矩陣β 1#1，得到伺服補(bǔ)償器狀態(tài)空間方
程的系數(shù)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(bǔ)償器的狀態(tài)空間方程夂=Axe+Bee ；伺服補(bǔ)償器狀態(tài)反饋矩陣Ke和鎮(zhèn)定補(bǔ)償器的狀態(tài)反饋矩陣K ；(34)將步驟(33)得到的伺服補(bǔ)償器狀態(tài)空間方程與原速率開環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)空間方程進(jìn)行組合，得到最終串聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程
權(quán)利要求
1.一種基于廣義內(nèi)模的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)偏心力矩補(bǔ)償方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)采用安裝在三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)框架軸上的速率陀螺測(cè)量出三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)的角速率信息ω。ut，所述角速率信息包含了電機(jī)控制力矩和偏心力矩同時(shí)作用下三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)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(shè)定值Cosrt作差，得到角速率誤差
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于廣義內(nèi)模的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)偏心力矩補(bǔ)償方法，其特征在于所述步驟⑶中的伺服補(bǔ)償器系統(tǒng)矩陣Ae、伺服補(bǔ)償器控制輸入矩陣Be、伺服補(bǔ)償器狀態(tài)反饋矩陣Ke和鎮(zhèn)定補(bǔ)償器的狀態(tài)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(wěn)定模型，得到參考輸入 ω srt和偏心力矩Td兩個(gè)不穩(wěn)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，則系數(shù)α ^ α η均為已知量；1為φ (s)的最高次項(xiàng)， s為頻域符號(hào)，α Q α η為Φ (s)的各次項(xiàng)系數(shù)；(32)由Φ(S)的系數(shù)％ CIh確定出分塊系數(shù)矩陣和β 1#1，
全文摘要
一種基于廣義內(nèi)模的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)偏心力矩補(bǔ)償方法。該方法通過建立三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)狀態(tài)空間方程，根據(jù)速率陀螺實(shí)時(shí)測(cè)量出的平臺(tái)角速率信息和電流傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量出的電流信息，將參考輸入和偏心力矩的共同不穩(wěn)定模型植入系統(tǒng)內(nèi)部，通過廣義內(nèi)?？刂扑惴ㄟ_(dá)到無靜差跟蹤控制的目的，內(nèi)?？刂破靼ㄋ欧a(bǔ)償器和鎮(zhèn)定補(bǔ)償器。該發(fā)明提高了擾動(dòng)抑制能力，實(shí)現(xiàn)了無靜差跟蹤，具有較強(qiáng)的魯棒性能。
文檔編號(hào)G05D13/62GK102508503SQ201110339618
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者房建成, 李樹勝, 趙巖, 鐘麥英 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)