一种伺服回路框架限位条件下的柔顺连续变结构控制方法与流程

本发明涉及一种四轴惯性稳定平台伺服回路框架限位条件下的柔顺连续变结构控制方法，属于惯性测量。

背景技术：

1、由于三轴惯性平台系统存在“框架锁定”现象，难以满足载体大机动运动的要求，因此，产生了四轴惯性平台系统。四轴惯性平台系统相对三轴惯性平台系统，在台体、内框架和中框架的基础上增加了外框架，外框架处于平台中框架和基座之间。

2、在工程应用中，为了使平台台体相对惯性空间稳定，在内框架轴上安装了限位挡钉以使内框架角度的范围受限(一般不超过±45°)。当βxk＝±90°时，内框架角将会随着载体的运动而发生变化，不能保持在零位。一种解决方法如下：“将外框架转动90°的方法使内框架角回到零位附近，同时使中框架离开±90°位置，从而使得三框架四轴平台重新符合传统随动回路工作条件”，参见文献“四轴惯性平台随动框架控制策略研究，导航与控制2017年第4期”。

3、采用该方法时，会使内框架角度和中框架角度处于不同的区间，采用分区控制时存在不同控制信号间的切换，但在切换时刻也会引起台体的瞬时抖动，导致平台台体相对空间有晃动。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了四轴惯性稳定平台伺服回路框架限位条件下的稳定控制问题。

2、本发明目的通过以下技术方案予以实现：

3、一种四轴惯性稳定平台伺服回路框架限位条件下的柔顺连续变结构控制方法，对于内框架限位，控制方法包括：

4、根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在xp轴、yp轴和zp轴上的角速度分量

5、测量外框架绕中框架本体坐标系的xp2轴转动的角度βxk、中框架绕内框架本体坐标系的yp1轴转动的角度βyk、内框架绕台体本体坐标系的zp轴转动的角度βzk；

6、给定柔顺变结构参数k的值，计算柔顺变结构的角速度修正值：

7、

8、其中，区间参数βny、βmy分别为βyk的最小值和最大值；

9、依据测量的βxk、βyk、βzk、和以及角速度修正值δω，计算台体、内框架、中框架和外框架的转动角速度，具体计算公式如下：

10、

11、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为中框架xp2轴的合成转动角速度；ωyk′为外框架yp3轴的合成转动角速度；

12、ωz、ωy、ωx和ωyk′输出给线性控制器后作用于四轴平台各轴端力矩电机实现台体相对惯性空间的稳定。

13、一种四轴惯性稳定平台伺服回路框架限位条件下的柔顺连续变结构控制方法，对于中框架限位，控制方法包括：

14、根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在xp轴、yp轴和zp轴上的角速度分量

15、测量外框架绕中框架本体坐标系的xp2轴转动的角度βxk、中框架绕内框架本体坐标系的yp1轴转动的角度βyk、内框架绕台体本体坐标系的zp轴转动的角度βzk；

16、给定柔顺变结构参数k的值，计算柔顺变结构的角速度修正值：

17、

18、其中，区间参数βnx、βmx分别为βxk的最小值和最大值；

19、依据测量的βxk、βyk、βzk、和以及角速度修正值δω，计算台体、内框架、中框架和外框架的转动角速度，具体计算公式如下：

20、

21、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为中框架xp2轴的合成转动角速度；ωyk′为外框架yp3轴的合成转动角速度；

22、ωz、ωy、ωx和ωyk′输出给线性控制器后作用于四轴平台各轴端力矩电机实现台体相对惯性空间的稳定。

23、本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

24、(1)采用本发明给出的伺服回路内框架或中框架限位时柔顺连续变结构控制方法，克服了分区离散变结构控制在区间切换过程中过渡过程对台体稳定性的影响，消除了区间切换引起的频繁晃动引起的动态误差，从而提高了惯性导航的精度；

25、(2)采用本发明给出的伺服回路内框架或中框架限位时柔顺连续变结构控制方法相对于内框架限位时分区变结构控制方法具有输出能量较小的特点，有利于节约控制能量。

26、(3)本发明所述的四轴惯性稳定平台系统相对于内框架限位时分区变结构控制方法具有超调量小的特点，且不需分区，控制算法简单，易于工程实现；

技术特征：

1.一种四轴惯性稳定平台伺服回路框架限位条件下的柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，对于内框架限位，控制方法包括：

2.根据权利要求1所述的柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，四轴惯性稳定平台包括基座、外框架、中框架、内框架和台体，对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系x1y1z1、外框架坐标系xp3yp3zp3、中框架本体坐标系xp2yp2zp2、内框架本体坐标系xp1yp1zp1和台体本体坐标系xpypzp；所述五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，中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，外框架本体坐标系的xp3轴与中框架本体坐标系的xp2轴重合，基座本体坐标系的x1轴与外框架本体坐标系的yp3轴重合；其中，基座与载体固连，在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外框架本体坐标系的yp3轴转动，外框架绕中框架本体坐标系的xp2轴转动，中框架绕内框架本体坐标系的yp1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的zp轴转动。

3.根据权利要求1所述的柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，通过如下方法测量得到四轴惯性稳定平台内部相对转动角度和角速度：

4.根据权利要求1所述的柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，转动角度βyk的取值范围为βny～βmy；转动角度βzk、βxk、βyk′的取值范围为-180～180°。

5.根据权利要求4所述的柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，区间参数满足如下条件：

6.一种四轴惯性稳定平台伺服回路框架限位条件下的柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，对于中框架限位，控制方法包括：

7.根据权利要求6所述的柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，四轴惯性稳定平台包括基座、外框架、中框架、内框架和台体，对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系x1y1z1、外框架坐标系xp3yp3zp3、中框架本体坐标系xp2yp2zp2、内框架本体坐标系xp1yp1zp1和台体本体坐标系xpypzp；所述五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，中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，外框架本体坐标系的xp3轴与中框架本体坐标系的xp2轴重合，基座本体坐标系的x1轴与外框架本体坐标系的yp3轴重合；其中，基座与载体固连，在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外框架本体坐标系的yp3轴转动，外框架绕中框架本体坐标系的xp2轴转动，中框架绕内框架本体坐标系的yp1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的zp轴转动。

8.根据权利要求6所述的柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，通过如下方法测量得到四轴惯性稳定平台系统内部相对转动角度和角速度：

9.根据权利要求6所述的柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，转动角度βxk的取值范围为βnx～βmx；转动角度βyk的取值范围为-90～270°；转动角度βzk、βyk′的取值范围为-180～180°。

10.根据权利要求6所述的柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，区间参数满足如下条件：

技术总结
一种伺服回路框架限位条件下的柔顺连续变结构控制方法，包括：根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在X<subgt;p</subgt;轴、Y<subgt;p</subgt;轴和Z<subgt;p</subgt;轴上的角速度分量和获取四轴惯性稳定平台系统的内部相对转动的角度和角速度；根据角速度分量和以及内部相对转动的角度，分别计算得到台体在Z<subgt;p</subgt;轴的合成转动角速度ω<subgt;z</subgt;、内框架在Y<subgt;p1</subgt;轴的合成转动角速度ω<subgt;y</subgt;、中框架在X<subgt;p2</subgt;轴的合成转动角速度ω<subgt;x</subgt;和外框架在Y<subgt;p3</subgt;轴的合成转动角速度ω<subgt;yk′</subgt;。本发明可以确保平台台体相对惯性空间稳定，具有全姿态、高精度的优点。

技术研发人员：魏宗康
受保护的技术使用者：北京航天控制仪器研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14