基于滑模面的重力补偿竖向子系统控制方法
【专利说明】基于滑模面的重力补偿竖向子系统控制方法 所属技术领域
[0001] 本发明属于航天器导航、制导与控制系统地面验证技术领域，具体涉及一种竖直 方向恒力系统的建模与控制。
【背景技术】
[0002] 航天工程是一项高风险、高投入、高回报、高度复杂并且高精度的系统工程，它的 发展程度决定能否抢占高科技制高点，能否最大程度的利用太空资源。毫无疑问，在我国积 极开展航天技术研究迫在眉睫，然而太空环境极其恶劣，为了顺利完成航天任务，必须在地 面进行充分的实验，因此国内外各航天机构都非常重视航天器在地面的实验验证。
[0003] 太空环境的一个最重要的特征是微重力，然而，地面实验室为有重力环境，为了在 地面再现航天器空间微重力环境中的真实运动情况，提高地面验证导航、制导与控制系统 实验的置信度，需要在地面为航天器建立一个与空间真实状况相近的微重力环境。要实现 这个目标，其关键是补偿航天器在地面实验室环境中所受的重力。现有的实现这个目标 的手段有液浮法，失重法、气浮法、悬挂法。失重法常见的为抛物飞行和自由落体，此方法 的缺点是时间短、占用的空间大、能够提供的空间有限并且成本高；液浮法阻尼大、维护成 本高且只适合低速运动的情况，而气浮法与悬挂法系统结构相对简单，易于建立实验室中 的微重力环境。气浮法一般只能进行五自由度的运动模拟，悬挂法则可以进行六自由度 的模拟。专利申请号为CN201220400797的"半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟 卫星装置"公布了一种通过电机滚珠丝杠和气缸悬浮一体化的"并联"方案来补偿航天器 所受重力并提供其竖直方向的运动自由度，解决了气浮法只能进行五自由度运动模拟的 问题，但其结构相对复杂，空气压缩处理装备占地面积大，大理石造价昂贵；专利申请号为 CN201410142865的"一种竖直方向丨旦力系统"公布了 一种由平衡点丨旦力弹簧模块、齿轮齿条 补偿模块与数据采集控制模块构成的竖向恒力系统，但没有给出具体的建模控制算法。
【发明内容】
[0004] 本发明提出了一种竖直方向上有效的、高精度的、抗干扰的并且可以部分或完全 补偿航天器所受重力的竖向系统建模与控制方法，从而模拟出月球等与地球重力不同的环 境或太空中的微重力环境，保证航天器地面试验验证时的环境与其工作环境相同。
[0005] 在地面验证过程中，重力补偿的精度对验证航天器的相关性能有重要的影响，因 此系统应具有良好的动态性能和允许范围内的静态误差，本发明提出的控制策略可以很好 的完成这一目标，从而提高航天器地面验证的置信度。
[0006] 本发明的技术方案：
[0007] 本发明基于滑模面的重力补偿竖向子系统控制方法，其竖向子系统包括控制器、 传感单元、执行器与弹簧模块。控制器由主控板、控制卡与驱动器构成；传感单元包括张力 传感器与位移传感器，张力传感器测量弹簧当前受力，位移传感器测量弹簧长度的变化量， 用来补偿弹簧非线性的影响。执行器由伺服电机、减速器、齿轮齿条传动装置及其固定装置 组成。弹簧模块由压簧、导轨、直线轴承、滚动轴承以及安装固定件组成。弹簧模块与执行 器的齿条下端相连，通过齿条的加减速运动控制压簧长度的变化量，传感器与控制器卡的 信息传递给主控板，主控板收集相关信息后产生控制量控制伺服电机的运动，从而控制齿 条的运动，完成对压簧伸缩量的控制。系统工作的步骤为：
[0008] A:将模拟航天器安装到系统上，系统上电，张力传感器测量模拟航天器的重力 Mg；
[0009] B:离线设定系统的控制目标，即根据对模拟航天器进行部分或者完全重力补偿设 定控制系统的输入量：r(t) =f(t)Mg，f(t)为时间函数，根据模拟航天器实际工作所处的 环境可以设定为常值或者随时间变化的函数；
[0010] C:根据控制目标，选择对应的控制算法，具体对应控制目标f⑴的特点选择对应 的控制器参数；
[0011] D:完成设定后，启动系统，进行验证；
[0012] E:试验完成后，首先停止系统运行，然后将模拟航天器卸下，最后关闭电源。
[0013] 本发明对比已有的技术有如下特点：
[0014] 1、采用位移传感器测量弹簧长度的变化量，补偿弹簧的非线性因素的影响；
[0015] 2、将控制器参数化，根据被补偿航天器的实际工作所处的环境选择相应的控制算 法，保证补偿精度的同时降低了运算的复杂性；
[0016] 3、基于滑模面对系统进行控制，改善了系统的动态性能，获得相应速度快，超调量 小以及无相位滞后的快速稳定高精度补偿；
[0017] 4、与气缸补偿重力相比，降低了结构的复杂度，减少了设备占用的面积。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明重力补偿竖向子系统结构图。
[0019] 图中标号：I:执行器；II:传感单元，III:弹簧模块。
[0020] 1 :齿条；2 :齿轮；3 :伺服电机；4 :电机安装板；5 :张力传感器；6 :位移传感器；7 : 直线轴承；8 :导杆；9 :压簧；10 :轴承槽；11 :滚动轴承；12 :轴承支架；13 :弹簧连接套；14 : 模拟航天器。
[0021] 图2是本发明重力补偿竖向子系统信息流向图。
[0022] 图3是本发明重力补偿竖向子系统等效结构图。
[0023] 图4是本发明的控制策略框图。
[0024] 图5是本发明PID控制算法跟踪正弦曲线仿真图。
[0025] 其中点画线为控制输入，虚线为控制输出。
[0026] 图6是本发明PISS控制算法正弦曲线仿真图。
[0027] 其中点画线为控制输入，虚线为控制输出。
[0028] 图7是PID控制算法与PISS控制算法的补偿误差图。
[0029] 图8为图7的局部放大。
[0030] 其中虚线为PID算法跟踪误差，点画线为PISS算法跟踪误差。
[0031] 图9是本发明PISST算法跟踪正弦曲线图。
[0032] 其中点画线为控制输入，虚线为控制输出。
[0033] 图10是PISS控制算法与PISST控制算法的补偿误差图。
[0034] 图11为图10的局部放大。
[0035] 其中虚线为PISS算法跟踪误差，点画线为PISST算法跟踪误差。
【具体实施方式】
[0036] 结合图1，执行器I包括齿条1、齿轮2、伺服电机3与电机安装板4,齿轮2安装在 固定到电机安装板4上的伺服电机3的电机轴上，齿条1与齿轮2啮合并在其带动下运动； 传感单兀II包括张力传感器5与位移传感器6,张力传感器5测量压簧9上的力，张力传感 器5安装到齿条1的下端，位移传感器6安装到张力传感器5的侧面，位移传感器6测量压 簧9的长度变化量；弹簧模块III包括直线轴承7、导杆8、压簧9、滚动轴承11、轴承支架12 与弹簧连接套13,导杆8连接到张力传感器5的下端，并与直线轴承7配合，其下端安装有 固定滚动轴承11的轴承支架12,轴承支架12同时用来固定压簧9的下端，压簧9的上端由 弹簧连接套13固定，弹簧连接套13上端固定直线轴承，其固定压簧9以下的部分设计有轴 承槽10,用来提供滚动轴承11的运动轨道并防止其径向位置变化，模拟航天器14安装在弹 簧连接套13的下端。
[0037] 结合图2,其工作过程为当模拟航天器14受到竖向力的作用时，压簧9上的力及 其长度发生变化，张力传感器5与位移传感器6测量到弹簧模块III中的压簧9的状态变化 传递给主控板，主控板将处理后产生的信号传给控制卡由控制器通过驱动器驱动伺服电机 3运动，带动齿轮2与齿条1运动，从而控制压簧上的力。
[0038] 结合图3与图4,定义在系统平衡位置时即压簧上的力等于模拟航天器重力时弹 簧伸长量为〇且压簧为轻质弹簧，原长U形变量为1，刚度系数为k在重物M作用下形变量
:齿轮、齿条与模拟航天器的质心分别记为OpO2与〇 3,质量分别为mi、m2与M，齿轮半 径为R，逆时针旋转为正，旋转角为a，齿条在齿轮带动下位移y=aR，齿条长度为h。，质 量均匀分布，齿轮齿条传动系数以及弹簧运动的阻尼系数分别为4与Ci，齿轮与齿条的啮 合点记为A点，记02与0rA在同一直线时的O2点为0点，以0为原点，以竖直向上为正方 向建立坐标轴y轴，O1A所在直线为X轴，向右为正方向，建立坐标系xOy，模拟航天器M在 y轴位移记为z，则z=y-1，以垂直于y轴且过直线O1A的平面为零势能面。
[0039] 根据以上定义系统动能为
[0058] 其中T为伺服电机输出的扭矩，F1为模拟航天器竖向收到的力，整理上式得
[0060] 观察上式可知，方程只和&有关，消去々即可消除a的相关变量，简化