专利名称：三轴精密角运动控制方法
技术领域：
本发明属于一种三轴姿态运动模拟设备，涉及一种三轴精密角运动 控制方法。
背景技术：
三轴转台(既三维姿态运动模拟设备)为惯性传感器及导航系统测 试提供精确的角位置定位、精密的角速度等姿态模拟运动，是一种导航 /制导系统、传感器的重要测试设备。随着技术的发展，多轴角速率联 动(包括两两轴同时角速率运动，另一轴定位或三轴同时角速率运动) 己成为传感器及系统测试不可缺少的技术手段。三轴转台通常由负载安
装空间l、内环2、内环轴3、中环4、中环轴5、 外环6、 外环轴7 和底座8组成，每个控制回路均包括环架动力学结构、电机与功率驱 动系统、角运动传感器及测量系统、伺服控制器及综合控制单元.(如图
l)其中运动伺服控制器接受测量反馈信号，并构成相应的闭环伺服控
制系统；综合控制单元接受外部指令或内部产生相应的运动轨迹。
现有的三轴转台对角运动的控制是通过运动轴各自的基本位置、速
率闭环加前馈的复合控制方法，亦即各轴独立的位置、速率闭环组成
基本的运动伺服控制回路， 一定比例的速度、加速度指令作为前馈信号 综合到伺服回路，以减小被控对象对指令运动的跟踪误差。
上述控制方法主要存在着以下两点不足
CD由于三轴转台的结构质量分布原因，多轴联动存在着轴间动力学
耦合力矩造成对控制系统关于转角变化的周期性扰动，使得运动轴不能 对指令进行精确跟踪，联动角速率性能下降，定位不稳定，甚至闭环回 路不能可靠工作。
②由于包括结构质量分布等在内的系统参数不确定和变化(如负 载、转速等)，前馈控制环节与控制对象之间存在着模型匹配上差异， 使得常规的前馈控制不能对扰动起到有效的抑制作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够有效地控制轴间动力学耦合力矩对控制系统转角变化的周期性扰动的三轴精密角运动控制方法。本发明的
技术解决方案是，利用控制计算装置在每个控制伺服周期中，按照轴间
耦合力矩扰动的谐波特性定时产生关于转角变化的正交谐波补偿控制
信号，同时根据系统伺服误差实时计算并调整各阶次谐波信号的幅值，
并将补偿控制信号施加于相应轴独立的基本闭环伺服控制回路。 控制计算装置在控制伺服周期A中按照公式
<formula>formula see original document page 4</formula> (1) 和公式
<formula>formula see original document page 4</formula>计算并生成关于m《土Wp的各阶次正交谐波补偿控制，并对其幅值 A.,、 ^进行自适应计算和实时调整，利用设置的初始移相角A,A,补偿 系统的延迟，并将补偿控制信号"，w施加于相应轴独立的基本闭环伺 服控制回路。
控制计算装置利用内、中环指令角位置《和&产生各阶次正交谐波 分量并与相应的幅度系数相乘，《和^根据公式(1)定时分别计算并 产生针对各轴耦合扰动作用的谐波补偿前馈控制信号。
控制计算装置将系统的伺服误差 根据公式(2)与具有初始移相 角的各阶次正交谐波分量相乘，经过积分自适应修正各阶次补偿控制信 号的幅值，将各补偿控制信号与已有相应轴独立的基本闭环伺服控制回 路相综合，同时对相应阶次补偿控制信号的幅值和相位进行调整。
所述的控制计算装置是指微控制器或控制计算机等可用于计算控 制的装置。
本发明的优点效果，本发明采用了对结构质量分布引起的轴间运动 耦合力矩扰动进行谐波自适应前馈补偿控制的(CTHAFC)策略和系统结 构，使得各轴间的联动角速率状态时的位置伺服跟踪误差显著减少，联 动性能大大改善。由于耦合力矩扰动得到了有效抑制，谐波自适应前馈 补偿控制(CTHAFC)也扩宽了三轴转台联动角速率的范围，提高了系统的可靠性，从而为惯性传感器及系统测试提供了新的测试技术手段。由
于谐波自适应前馈补偿控制(CTHAFC)微控制器采取了带有初始相位补 偿的正交谐波自适应前馈控制方法，使得对补偿控制信号的幅值及相位 调节转化为利用伺服误差和指令信号对补偿信号的幅度自适应控制，并 且保证了补偿信号在幅值上稳定地趋近于相应的耦合作用扰动幅度并 且方向相反。由于不需要当前角位置的反馈测量信息和准确的初始角位 置信息，不采用谐波数据处理中常用的诸如傅立叶变换等复杂的计算， 大大简化了控制系统算法，提高了运算速度和整个系统的实时性。对于 不同于附图1结构形式的转动机构，该方法也可有效地应用于消除具有 谐波特性的系统扰动。
本发明可以在线估计不确定参数并实时修正其变化，通过施加谐波 补偿控制有效地消除轴间耦合力矩扰动，使三轴转台在多轴角速率联动 状态下的跟踪性能大幅度提高。
本发明仍保留了三轴转台已有的各轴独立的基本闭环伺服控制回 路，并以各轴关于转角变化的耦合力矩谐波分量阶次为基础构建 CTHAFC系统。
图1为现有独立的运动伺服控制系统示意图； 图2为现有典型三轴转台结构示意图3为本发明具有谐波自适应前馈补偿的控制计算装置的三轴精 密角运动控制系统结构示意图4为本发明谐波自适应前馈补偿控制计算的结构框图。
具体实施例方式
控制计算装置在每个控制伺服周期中，按照轴间耦合力矩扰动的谐 波特性定时产生关于转角《^±^/变化的正交谐波补偿控制信号，同时 根据系统伺服误差实时计算并调整各阶次谐波信号的幅值a,，a,，并将 补偿控制信号施加于相应轴独立的基本闭环伺服控制回路，达到精确消 除轴间耦合力矩扰动的目的。通过设置控制信号初始移相角A，A，补
偿系统延迟，保证自适应机构的稳定性。
轴间耦合力矩谐波自适应前馈补偿(CTHAFC)的计算公式为"c匿cW: SG^Wsin(附《W土4W)+A'Wcos(m《(A;)士"^(A:))) ( 1 )
A, W = Wsin(附《 ) ± & )+ 4 -1)I ( 2 )
J^W"Ccos(附《W土"&(A:)土/ c,)+Pc,M) }
公式中m，" = 0， 1， 2,……是补偿控制信号谐波参数；
iV是与有关的补偿控制信号最高谐波分量阶次； A,&是补偿控制信号的幅值系数，&(0) = A,。,A,(0)=&。； K,，^是自适应增益；7;是控制系统伺服采样周期；
A是补偿控制信号谐波初始移相角。 在公式(1)中，产生各阶次正交谐波分量与相应的幅度系数相乘， 形成耦合力矩扰动作用的补偿控制信号；在公式(2)中，系统伺服误 差与具有初始移相角的各阶次正交谐波分量相乘，经过积分放大后形成 对补偿控制信号的幅值计算，同时对相应阶次补偿控制信号的幅值和相 位调整的作用。
如图4，在第A个伺服采样周期中，CTHAFC 14利用内、中环指令 角位置《、^和初始移相角A,A,分别由图4中15和16产生相互正交 的谐波信号sin(附《土"^J 、 sin(附《土"^土A,)禾口 cos(附《士"^J 、 co如《土"^土A,);将具有初始移相角正交谐波信号分别于伺服误差^ 相乘，利用公式(2)进行数字积分、乘&^,放大形成自适应调节的各 阶次正交谐波系数&和& ;同时将正交谐波信号与相应的谐波系数相 乘，利用公式(1)进行相加产生A周期的补偿控制信号〃 。
如图3，将A周期的补偿控制信号&m^施加于速率闭环12、位置 闭环13等组成的基本闭环伺服控制回路，与速率闭环12综合形成对耦 合扰动必的补偿控制作用。经过A周期的持续迭代计算，经过修正后 各阶次补偿控制信号在幅值上稳定地趋近于耦合扰动作用的幅值并且 方向相反时，补偿控制将准确地抵消耦合扰动作用，从而达到对轴间运 动耦合力矩扰动的抑制目的，使系统输出^—。A一。A—。中不再含有耦合扰 动作用的影响。图3中，中环轴控制系统10、外环轴控制系统9与内 环轴控制系统ll的CTHAFC 14实施过程基本相同，仅仅由于各环轴耦 合力矩扰动的谐波特性造成的正交谐波15、 16的构成在附《±"^上有 所区别。具有轴间耦合力矩谐波自适应前馈补偿(CTHAFC)的三维姿态运动 模拟设备精密角运动控制系统(附图3)，由控制计算装置在每个伺服 控制周期中按照公式(1)公式(2)计算并生成关于附《±"^的各阶次 正交谐波补偿控制，并对其幅值&、 ；^进行自适应估计和实时调整， 利用设置初始移相角A,A补偿系统的延迟，并将补偿控制信号"，w 施加于相应轴独立的基本闭环伺服控制回路，从而构成控制系统抵消轴 间耦合作用扰动的任何一种方法，均在本发明的权力要求中。三轴转台 作匀转速运动或摇摆运动等方式下，本方法在两两轴联动(另一轴定位) 或三轴同时联动时均可有效。
实际应用中，补偿控制信号谐波参数m，"可根据各轴耦合扰动对系 统的影响程度选择，^,^和A，A根据各轴独立的基本闭环伺服控制回
路的系统特性选择，z;是系统固有参数。
图3中，^AA分别为三轴转台指令角位置和角速度；A。A。A。 分别为三轴实际姿态角位置；^为相应轴系统伺服误差；P为控制对象 (即被控制的转台相应运动轴)；Gp， Gv分别为独立闭环回路位置、速 率控制器；必为耦合扰动力矩；CTHAFC为耦合力矩前馈补偿自适应 控制机构。
图4中，^，^分别为三轴转台内、中轴指令角位置；sh-15、 cos -16代表正交谐波分量产生机构；X为乘法器J为积分器；p、 ；^为自 适应增益，A,&为补偿控制信号谐波初始移相角。
权利要求
1. 一种三轴精密角运动控制方法，其特征在于，控制计算装置在每个控制伺服周期中，按照轴间耦合力矩扰动的谐波特性定时产生关于转角变化的正交谐波补偿控制信号，同时根据系统伺服误差实时计算并调整各阶次谐波信号的幅值，并将补偿控制信号施加于相应轴独立的基本闭环伺服控制回路。
2. 根据权利要求1所述的三轴精密角运动控制方法，其特征在于，所述的控制计算装置是指微控制器或控制计算机。
3. 根据权利要求1所述的三轴精密角运动控制方法，其特征在于，控制计算装置在控制伺服周期A中按照公式和公式A, W = ;K力(A:)sin(m《,《(A:)士 A,)+ A, (" 1)} ( 2 )W = ,cCc。如《W土《W± A,)+ -l) J计算并生成关于m《士n^的各阶次正交谐波补偿控制，并对其幅值 &、 A,进行自适应计算和实时调整，利用设置的初始移相角A,A,补偿 系统的延迟，并将补偿控制信号"，^施加于相应轴独立的基本闭环伺 服控制回路。
4. 根据权利要求3所述的三轴精密角运动控制方法，其特征在于， 控制计算装置将产生的各阶次正交谐波分量与相应的幅度系数相乘，利 用内、中环指令角位置《和^根据公式(1)定时分别计算并产生针对各轴耦合扰动作用的谐波补偿前馈控制信号"^^c:。
5. 根据权利要求3所述的三轴精密角运动控制方法，其特征在于，控制计算装置将系统的伺服误差 根据公式(2)与具有初始移相角的 各阶次正交谐波分量相乘，经过积分自适应修正各阶次补偿控制信号的 幅值，将各补偿控制信号与已有相应轴独立的闭环伺服控制回路相综 合，同时对相应阶次补偿控制信号的幅值和相位进行调整。
全文摘要
本发明属于一种三轴姿态运动模拟设备，涉及一种三轴精密角运动控制方法。它是利用控制计算装置按照轴间耦合力矩扰动的谐波特性定时产生关于转角变化的正交谐波补偿控制信号和根据系统伺服误差实时计算并调整各阶次谐波信号的幅值，并将补偿控制信号施加于相应轴独立的基本闭环伺服控制回路。本发明采用了对结构质量分布引起的轴间运动耦合力矩扰动进行谐波自适应前馈补偿控制的(CTHAFC)策略和系统结构，使得各轴间的联动角速率状态时的位置伺服跟踪误差显著减少，联动性能大大改善。
文档编号G05B11/32GK101299148SQ20081010603
公开日2008年11月5日 申请日期2008年5月12日 优先权日2008年5月12日
发明者樾 刘, 聪 张 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空精密机械研究所