專利名稱：一種懸吊平臺(tái)系統(tǒng)的方位控制系統(tǒng)及其方法
一種懸吊平臺(tái)系統(tǒng)的方位控制系統(tǒng)及其方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于控制工程領(lǐng)域，特別涉及一種懸吊平臺(tái)系統(tǒng)的方位控制系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
基于氣球、飛艇等高空浮空載體的懸吊平臺(tái)，是指通過柔性連接吊掛在浮空載體下方的設(shè)備搭載平臺(tái)，在天文觀測(cè)、氣象、遙感、高能物理等科學(xué)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。懸吊平臺(tái)通常吊掛在載體下方10 100米處，只搭載儀器設(shè)備時(shí)通常稱作“吊籃”。根據(jù)中科院北京天文臺(tái)已進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)資料(葉詳明，博士學(xué)位論文《大型球載望遠(yuǎn)鏡高精度姿態(tài)控制及其指向技術(shù)研究》)，繞懸吊軸的隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是影響吊籃姿態(tài)穩(wěn)定的主要原因，因而方位控制對(duì)平臺(tái)姿態(tài)的穩(wěn)定有重要的意義。
國(guó)內(nèi)對(duì)于浮空載體懸吊平臺(tái)的方位控制的研究，已經(jīng)取得一定進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)王楠森等人的公開號(hào)為CN2539985Y的專利“定向姿態(tài)控制吊籃”中提出了用于大氣層外射線研究的高空氣球懸吊平臺(tái)方向控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能構(gòu)架帶有反捻機(jī)構(gòu)和基于動(dòng)量交換原則的姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)。王楠森等人的另外一項(xiàng)公開號(hào)為CN1380592C 的專利“高空氣球天文觀測(cè)吊籃的定向姿態(tài)控制方法”提出了基于高空氣球的懸吊平臺(tái)方位控制的方法利用磁敏感器件檢測(cè)方位角位置信息，利用力矩電機(jī)和反作用飛輪作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制懸吊平臺(tái)方位。林寶軍等人在論文《球載平臺(tái)控制系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)》(《計(jì)算機(jī)仿真》1999年1月刊)中提出了利用高空氣球懸吊平臺(tái)的方位角信息和反作用飛輪轉(zhuǎn)速信息構(gòu)建狀態(tài)觀測(cè)器，從而控制高空球載懸吊平臺(tái)方位角的方法。何琳琳等人在論文《高空氣球吊籃方位控制系統(tǒng)的反作用飛輪控制模式》(《微特電機(jī)》2006年第7期)和論文 《高空氣球吊籃方位控制的反作用飛輪系統(tǒng)》(《微特電機(jī)》2007年第8期)中設(shè)計(jì)了一種速率控制模式下的反作用飛輪控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作在方位角位置環(huán)內(nèi)部，提高了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)能力。
國(guó)外對(duì)這一領(lǐng)域的研究較多集中在應(yīng)用領(lǐng)域。澳大利亞科學(xué)家在90年代初放飛了用于收集太空射線的高空氣球，搭載設(shè)備的懸吊平臺(tái)可以自動(dòng)回復(fù)參考位置(R. Sood, et al,《Geomagnetic field based orientation systems for balloon-borne astronomy payloads》)。1993 1995年由美國(guó)空軍菲力蒲實(shí)驗(yàn)室開展的高空氣球?qū)嶒?yàn)(HABE)，其懸吊平臺(tái)搭載的光學(xué)跟蹤設(shè)備上使用了地磁儀和陀螺測(cè)量姿態(tài)角位置和角速度，但二者的控制對(duì)象是放置在懸吊平臺(tái)上作為負(fù)載的萬向架，而不是懸吊平臺(tái)本身(《Altitude control and trajectory for the High Altitude Balloon Experiment》，Schulthess,Lt. M. et al, SPIE Vol. 2221.)。美國(guó)Johns Hopkins大學(xué)2001年1月研制的用于觀測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)的高空氣球，其懸掛平臺(tái)搭載有天文望遠(yuǎn)鏡，指向系統(tǒng)保證平臺(tái)始終指向太陽(yáng)(Pietro N, et al, ((A balloon-borne telescope for high resolution solar imaging and polarimetry〉〉)。意大利科學(xué)家2005年研制的球載方位穩(wěn)定懸吊平臺(tái)，接受GPS的方位信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)反作用飛輪，完成對(duì)平臺(tái)的方位控制(G. Di Cocco, et al，《A high performance balloon gondolafor fine angular resolution X-ray telescopes〉〉)。
以上系統(tǒng)均采用地磁信息或衛(wèi)星定位信息進(jìn)行方位角檢測(cè)，而地磁信息敏感系統(tǒng)和衛(wèi)星定位信息的采樣頻率都比較低，分別為幾十赫茲和1赫茲左右，因而其對(duì)擾動(dòng)的抑制帶寬都比較低。以上系統(tǒng)的負(fù)載都相對(duì)平臺(tái)保持靜止或具有較低的方位機(jī)動(dòng)性，因而采用單一的方位角位置閉環(huán)就可以滿足設(shè)計(jì)需要。而針對(duì)具有較高方位機(jī)動(dòng)性和較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的負(fù)載，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，采用單一的方位角位置控制環(huán)很難將平臺(tái)的方位角穩(wěn)定在給定范圍之內(nèi)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是對(duì)于通過柔性聯(lián)接懸吊在氣球、飛艇等浮空載體下方的設(shè)備搭載平臺(tái)，當(dāng)其上搭載有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，較高方位機(jī)動(dòng)性的負(fù)載時(shí)，平臺(tái)的方位角跟蹤和穩(wěn)定能力將大大下降，如何在角位置檢測(cè)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)不變的條件下提高懸吊平臺(tái)方位角跟蹤和穩(wěn)定能力。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種懸吊平臺(tái)系統(tǒng)的方位控制系統(tǒng)，該懸吊平臺(tái)系統(tǒng)包含如下硬件組成部分懸吊平臺(tái)、安裝在主纜上的反捻機(jī)構(gòu)、方位角測(cè)量器件、用于測(cè)量方位角速度的角速率陀螺、帶有A/D及D/A功能的數(shù)字控制器，以及由功率放大和變換裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的角動(dòng)量交換裝置組成的方位控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以上各部分按照如下結(jié)構(gòu)構(gòu)成控制系統(tǒng)
1)懸吊平臺(tái)上安裝能夠測(cè)量平臺(tái)繞方位軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的方位角速度的角速率陀螺；
2)將角速率陀螺測(cè)量得到的平臺(tái)繞方位軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的方位角速度信息反饋給數(shù)字控制器；
3)將方位角測(cè)量器件測(cè)得的平臺(tái)方位角位置信息反饋給數(shù)字控制器。
進(jìn)一步的，在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成上存在以方位角速度信息為反饋信號(hào)的采樣頻率較高的角速度控制環(huán)，在角速度控制環(huán)外存在以方位角位置信息為反饋信號(hào)的采樣頻率較低的角位置控制環(huán)；在角速度控制環(huán)內(nèi)還可根據(jù)需要存在執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)環(huán)。
根據(jù)上述的一種懸吊平臺(tái)系統(tǒng)的方位控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下實(shí)現(xiàn)步驟
步驟(1)在平臺(tái)上安裝測(cè)量方位角速度的角速率陀螺；
步驟( 測(cè)量功率放大和變換裝置輸入信號(hào)到陀螺輸出信號(hào)的頻率特性，依據(jù)頻率特性設(shè)計(jì)控制算法；
步驟C3)在控制器中實(shí)現(xiàn)控制算法，控制器輸入為角速度給定信號(hào)和角速率陀螺反饋的平臺(tái)實(shí)測(cè)角速度信號(hào)，輸出為功率驅(qū)動(dòng)和變換裝置的輸入信號(hào)；
步驟(4)測(cè)量角速度控制環(huán)閉環(huán)后的角速度控制器輸入到角位置輸出的頻率特性，設(shè)計(jì)角位置環(huán)控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)角位置閉環(huán)。
本發(fā)明的原理如下
系統(tǒng)應(yīng)有如下部件構(gòu)成懸吊平臺(tái)、安裝在主纜上的反捻機(jī)構(gòu)、方位角測(cè)量傳感器、功率放大和變換裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的角動(dòng)量交換裝置(如反作用飛輪、控制力矩陀螺、變速控制力矩陀螺)，用于測(cè)量方位角速度的角速率陀螺，帶有A/D，D/A功能的數(shù)字控制器作為控制器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附圖1。懸吊平臺(tái)上有能夠測(cè)量平臺(tái)角速度信息的角速率陀螺；以平臺(tái)方位角速度信號(hào)作為反饋信號(hào)的高采樣率方位角速度控制環(huán)；方位角速度控制環(huán)外部存在采樣率較低的方位角位置控制環(huán)；方位角速度控制環(huán)內(nèi)部，根據(jù)系統(tǒng)需要可以存在執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制環(huán)，包括但不限于以下形式控制環(huán)路電流環(huán)、加速度環(huán)、動(dòng)量交換裝置的轉(zhuǎn)速控制環(huán)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1)將其他領(lǐng)域比較成熟的角位置+角速度的多閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)引入到浮空載體懸吊平臺(tái)的方位控制系統(tǒng)中，與現(xiàn)有的懸吊平臺(tái)方位控制技術(shù)相比，增加了一個(gè)高采樣率的角速度控制環(huán)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力；
(2)本發(fā)明在硬件實(shí)現(xiàn)上只需在現(xiàn)有懸吊平臺(tái)控制系統(tǒng)中增加角速率陀螺，投入成本較低；
(3)本發(fā)明提出的控制策略，適用于載有高方位機(jī)動(dòng)性和較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載的懸吊平臺(tái)，擴(kuò)展了懸吊平臺(tái)的應(yīng)用范圍。


圖1 (a)及圖1 (b)為本發(fā)明的基于角速率陀螺反饋信息的懸吊平臺(tái)系統(tǒng)的方位控制系統(tǒng)的框圖；其中，圖1(b)為圖1(a)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖3為本發(fā)明的控制器主程序流程圖4為本發(fā)明的控制器中斷響應(yīng)子程序流程圖5為本發(fā)明的狀態(tài)判定及轉(zhuǎn)移子程序流程圖。
具體實(shí)施方式
以下說明本發(fā)明的實(shí)施例。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容，而且通過以下實(shí)施例對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)人員即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容。
下面以某懸吊平臺(tái)系統(tǒng)方位控制系統(tǒng)的實(shí)施例為例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
某懸吊平臺(tái)已安裝方位控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、方位測(cè)量器件、帶有A/D，D/A等接口的數(shù)字控制器。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按圖1所示的方式布置。以下步驟完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
(1)在平臺(tái)上安裝西安中星測(cè)控有限公司生產(chǎn)的CS-ARS-12角速率陀螺，安裝時(shí)確保陀螺測(cè)量的角度為懸吊平臺(tái)的方位角。
(2)使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量功率放大裝置的輸入信號(hào)到角速率陀螺輸出電壓信號(hào)的頻率響應(yīng)特性。測(cè)得系統(tǒng)方位角速度響應(yīng)特性，經(jīng)擬合得到下面的傳遞函數(shù)
權(quán)利要求
1.一種懸吊平臺(tái)系統(tǒng)的方位控制系統(tǒng)，其特征在于該懸吊平臺(tái)系統(tǒng)包含如下硬件組成部分懸吊平臺(tái)、安裝在主纜上的反捻機(jī)構(gòu)、方位角測(cè)量器件、用于測(cè)量方位角速度的角速率陀螺、帶有A/D及D/A功能的數(shù)字控制器，以及由功率放大和變換裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的角動(dòng)量交換裝置組成的方位控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以上各部分按照如下結(jié)構(gòu)構(gòu)成控制系統(tǒng)1)懸吊平臺(tái)上安裝能夠測(cè)量平臺(tái)繞方位軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的方位角速度的角速率陀螺；2)將角速率陀螺測(cè)量得到的平臺(tái)繞方位軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的方位角速度信息反饋給數(shù)字控制器；3)將方位角測(cè)量器件測(cè)得的平臺(tái)方位角位置信息反饋給數(shù)字控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種懸吊平臺(tái)系統(tǒng)的方位控制系統(tǒng)，其特征在于在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成上存在以方位角速度信息為反饋信號(hào)的采樣頻率較高的角速度控制環(huán)，在角速度控制環(huán)外存在以方位角位置信息為反饋信號(hào)的采樣頻率較低的角位置控制環(huán)，在角速度控制環(huán)內(nèi)還可根據(jù)需要存在執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種懸吊平臺(tái)系統(tǒng)的方位控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于包括以下實(shí)現(xiàn)步驟步驟(1)在平臺(tái)上安裝測(cè)量方位角速度的角速率陀螺；步驟( 測(cè)量功率放大和變換裝置輸入信號(hào)到陀螺輸出信號(hào)的頻率特性，依據(jù)頻率特性設(shè)計(jì)控制算法；步驟C3)在控制器中實(shí)現(xiàn)控制算法，控制器輸入為角速度給定信號(hào)和角速率陀螺反饋的平臺(tái)實(shí)測(cè)角速度信號(hào)，輸出為功率驅(qū)動(dòng)和變換裝置的輸入信號(hào)；步驟(4)測(cè)量角速度控制環(huán)閉環(huán)后的角速度控制器輸入到角位置輸出的頻率特性，設(shè)計(jì)角位置環(huán)控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)角位置閉環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種懸吊平臺(tái)系統(tǒng)的方位控制系統(tǒng)及方法，本發(fā)明適用于懸吊平臺(tái)搭載具有高方位機(jī)動(dòng)性、較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載時(shí)的方位控制。針對(duì)方位角位置傳感器數(shù)據(jù)更新頻率較低的問題，在懸吊平臺(tái)方位角位置控制環(huán)路內(nèi)部，增加一個(gè)以角速率陀螺的采樣信號(hào)作為反饋的平臺(tái)方位角速度控制環(huán)。具體實(shí)現(xiàn)方法為先測(cè)量功率放大裝置輸入信號(hào)到陀螺輸出信號(hào)的頻率特性，依據(jù)頻率特性設(shè)計(jì)控制算法；完成速度閉環(huán)之后，再根據(jù)速度閉環(huán)后系統(tǒng)頻率特性設(shè)計(jì)方位角位置控制器。角速率陀螺具有較高的數(shù)據(jù)更新速率，角速度控制環(huán)的帶寬往往高于角位置控制環(huán)，所以本發(fā)明可以提高懸吊平臺(tái)方位角位置控制環(huán)的響應(yīng)速度和伺服剛度，提高方位控制系統(tǒng)的抗干擾能力。
文檔編號(hào)G05D13/62GK102508502SQ201110338480
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)明者于偉, 劉興法, 包啟亮, 李志俊, 毛耀, 蔣晶, 馬佳光 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所