CN104932251B

CN104932251B - 一种用于空间光学遥感器随动***的同步控制方法

Info

Publication number: CN104932251B
Application number: CN201510284674.3A
Authority: CN
Inventors: 李婧; 康建兵; 林喆; 李寅龙; 陈子印; 郝中洋; 宋莉; 张超
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2017-07-28
Anticipated expiration: 2035-05-28
Also published as: CN104932251A

Abstract

一种用于空间光学遥感器随动***的同步控制方法，利用预先设定的指标要求，设计主轴扫描***和从轴扫描***的位置伺服指令；设计主轴跟踪误差控制器，使主轴***的旋转扫描运动控制性能满足预先设定的扫描线性度要求；设计从轴跟踪误差控制器，使得从轴跟踪误差控制器的闭环特性与主轴跟踪误差控制器的闭环特性相同；设计同步误差控制器，使两轴随动***稳定跟踪0指令稳定，在同步误差控制器的输出端加上并减去主轴跟踪误差控制器的输出，构成同步控制闭环，完成对空间光学遥感器两轴随动***的同步控制。本发明所述的方法与主令参考式同步、主从参考式同步相比大幅提高了两轴同步运动精度且不影响主转动***的运动轨迹。

Description

一种用于空间光学遥感器随动***的同步控制方法

技术领域

本发明设计一种同步控制方法，特别是一种用于空间光学遥感器随动***的同步控制方法，属于航天遥感器技术领域。

背景技术

在空间光学领域遥感器成像过程中，为了获得更加宽广的视野，通常使用扫描***将入射光范围扩大，以增大地面的视野及相机的幅宽。由于扫描镜旋转的范围较小，而入射角与镜面之间的夹角较大，使得光线发生偏振，难以实现大角度扫描。因此在设计过程中希望入射角能够尽量小。为此，一般需要设计主转动***和反射***，使入射光平行于主转动***进入相机，通过反射***将光线会聚到焦面。这样的主转动***做扫描运动，反射***做跟随补偿的运动***具有无像旋、偏振小，主镜口径小等优势。但需要保证主、次转动***的同步运动性，根据美国VIIRS遥感器的资料所述，若两轴不进行同步，每个扫描周期相对于上个扫描周期，起始位置变化误差会变大，将导致地面定位误差，进而影响遥感器的几何成像质量。两扫描镜分别为旋转扫描镜和半角反射镜，且同轴安装，且速度比为2:1。

目前多轴***的同步控制方法主要有机械同步方式和电同步方式两大类。机械同步方式一般通过齿轮、链条、皮带等机械结构实现能量传递，同步控制精度低，难以实现高精度成像要求，且主轴在传动过程中存在机械摩擦、齿轮磨损会产生机械谐振，当高速运行时谐振会影响***稳定，极易产生共振，且噪声大。

电同步方式利用控制器和驱动器以及测量装置组成，控制灵活，控制精度高。传统的电同步控制结构主要包括主令参考式同步、主从参考式同步、交叉耦合式同步等。

主令参考式同步控制结构如附图2所示，两轴输入均来源于规划的指令曲线，两轴并行工作，互不干扰。其中一个轴受到扰动，其他轴不会对其作出响应，无法有效修正同步误差(M.Anibal Valenzuela,Robert D.Lorenz.Electrionic line-shafting controlfor paper machine drives[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2001,37:106～112)。主从参考式同步控制结构如附图3所示，从轴的输入来自主轴的输出，主轴的运动因负载扰动而改变时，从轴可以对其作出相应的调节，但当从轴受扰时，同步误差不能得到及时修正。(Shim H.M,Hong J.P,Chung S.B,Powered wheelchair controllerbased on master-slave control architecture industrial electronics[J].IEEEInternational Symposium on,2001,(3):1553～1556)。交叉耦合式同步控制结构通过引入误差反馈的思想，对两轴的输入进行补偿。比非耦合的同步方案能实现更高的同步控制性能，但由于补偿的作用也会改变主轴的输入，不能满足空间光学遥感器主转动***的扫描运动轨迹不变的要求。(Koren Y.Cross-coupled biaxial computer control formanufacturing systems[J].ASME Journal of Dynamic Systems,Measurement andControl,1980,102(12):1324～1330)。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于空间光学遥感器随动***的同步控制方法，在规划了扫描运动曲线的基础上，首先针对主轴运动***设计满足扫描运动性能的控制器C₁，然后针对从轴反射镜设计控制器C₂使其闭环特性与主轴***的闭环特性相当，最后以从轴反射镜闭环特性为对象设计同步控制器C₃，使其跟踪“0”指令稳定，最后按一定的结构连接C₁，C₂，C₃。本发明所述的方法与主令参考式同步、主从参考式同步相比大幅提高了两轴同步运动精度且不影响主转动***的运动轨迹。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于空间光学遥感器随动***的同步控制方法，所述随动***包括主轴扫描***和从轴扫描***，步骤如下：

(1)利用预先设定的指标要求，设计主轴扫描***和从轴扫描***的位置伺服指令和所述指标包括扫描周期、扫描效率、线性段速度、主从轴跟随速度比和线性段起始角度；

(2)利用预先给定的已知主轴***的转动惯量J_z，电机的电流力矩系数K_mz，反电动势系数K_bz，电阻R_z，电感L_z设计主轴跟踪误差控制器，使主轴***的旋转扫描运动控制性能满足预先设定的扫描线性度要求；

(3)利用预先给定的从轴***的转动惯量J_c、电机的电流力矩系数K_mc、反电动势系数K_bc、电阻R_c和电感L_c设计从轴跟踪误差控制器，使得从轴跟踪误差控制器的闭环特性G₂与主轴跟踪误差控制器的闭环特性G₁相同；

(4)以为对象，设计同步误差控制器，使两轴随动***稳定跟踪0指令稳定；其中G₂为从轴跟踪误差控制器的闭环特性，P₂为从轴跟踪误差控制器的对象特性，C₂为步骤(3)得到的从轴跟踪误差控制器，k₂为两轴的转速比；

(5)在同步误差控制器的输出端加上并减去主轴跟踪误差控制器的输出，构成同步控制闭环，完成对空间光学遥感器两轴随动***的同步控制。

所述步骤(1)中设计主轴扫描***和从轴扫描***的位置伺服指令和使主轴扫描***满足预先设定的指标要求，具体为：

(1-1)根据空间光学遥感器主轴***预先要求的扫描周期T，扫描效率η，计算主轴***在线性段内的运动时间T_x和非线性段内的运动时间T_f，具体由公式：

T_x＝T*η

T_f＝T*(1-η)

给出；

(1-2)利用步骤(1-1)求得的线性段内的运动时间T_x和线性段内的角度范围θ，线性段起始角度θ_i，计算线性段内主轴位置曲线Com_z、主轴速度曲线Speed_z和主轴加速度曲线Acc_z，具体由公式：

Com_z＝θ_i+Speed_z*t_m,0<t_m<T_x

Acc_z＝0,0<t_m<T_x

给出；

(1-3)利用步骤(1-2)求得的非线性段内的运动时间T_f和线性段速度v，计算非线性段内主轴位置曲线Com_z、主轴速度曲线Speed_z和主轴加速度曲线Acc_z，具体由公式：

Com_z＝(θ_i+v*T_x)+(A+v)*(t_m-T_x)-A*T_f/2/pi*sin(2*pi/T_f*(t_m-T_x))T_x<t_m<T

Speed_z＝-A*cos(2*pi/T_f*(t_m-T_x))+(A+v),T_x<t_m<T

Acc_z＝A*2*pi/T_f*sin(2*pi/T_f*(t_m-T_x)),T_x<t_m<T

给出，其中A＝(360°-T*v)/T_f；

(1-4)利用步骤(1-2)和步骤(1-3)中求得的线性段和非线性段内主轴位置曲线Com_z、主轴速度曲线Speed_z和主轴加速度曲线Acc_z，以及预先给定的主从轴跟随速度比k，计算线性段和非线性段内的从轴位置曲线Com_c、从轴速度曲线Speed_c和从轴加速度曲线Acc_c，具体由公式：

Com_c＝k*Com_z

Speed_c＝k*Speed_z

Acc_c＝k*Acc_z

给出；

(1-5)分别生成主轴扫描***的位置伺服指令和从轴扫描***的位置伺服指令具体由公式：

给出。

所述步骤(2)中利用预先给定的已知主轴***的转动惯量J_z，电机的电流力矩系数K_mz，反电动势系数K_bz，电阻R_z，电感L_z设计主轴跟踪误差控制器，使主轴***的旋转扫描运动控制性能满足扫描线性度要求，具体为：

以主轴***作为被控对象，利用预先给定的主轴***转动惯量J_z，电机的电流力矩系数K_mz，反电动势系数K_bz，电阻R_z，电感L_z，得到主轴跟踪误差控制器的对象特性：

利用主轴跟踪误差控制器的对象特性设计得到主轴跟踪误差控制器，使主轴***的旋转扫描运动控制性能满足预先设定的扫描线性度要求。

所述步骤(3)利用预先给定的从轴***的转动惯量J_c、电机的电流力矩系数K_mc、反电动势系数K_bc、电阻R_c和电感L_c设计从轴跟踪误差控制器，使得从轴反射镜闭环性能G₂与主轴***的闭环特性G₁相同，具体为：

以从轴***为被控对象，利用预先给定的从轴***转动惯量J_c，电机的电流力矩系数K_mc，反电动势系数K_bc，电阻R_c，电感L_c，得到从轴跟踪误差控制器的对象特性：

进一步得到从轴跟踪误差控制器的控制律由公式：

给出，其中，C₁为主轴跟踪误差控制器，P₁为主轴跟踪误差控制器的对象特性，P₂为从轴跟踪误差控制器的对象特性。

所述步骤(4)以为对象，设计两轴同步误差控制器C₃，使得其跟踪“0”指令稳定，具体为：

由从轴跟踪误差控制器的对象特性P₂、从轴跟踪误差控制器的控制率C₂、两轴的转速比k₂，得到两轴同步误差控制器的对象特性：

利用两轴同步误差控制器的对象特性设计两轴同步误差控制器C₃，使其跟踪0指令稳定，且满足预先设定的***两轴同步误差要求。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)与传统的主令参考式同步、主从参考式同步控制结构相比，本发明的方法在主轴自身实现闭环、从轴自身实现闭环的基础上，取两轴反馈***的当前角度差，与“0”指令再做一次闭环，大幅提高了同步运动误差；

(2)与传统的交叉耦合式、偏差耦合式同步控制结构相比，本发明中的方法取消了交叉耦合式同步控制结构对主轴输入的反馈，能满足空间光学遥感器领域对于主转动***的运动轨迹保持不变的要求，仅仅通过改变随动***的输入达到提高同步精度目的。

附图说明

图1为本发明所述一种同步控制方法结构示意图；

图2为主令参考式同步控制结构示意图；

图3为主从参考式同步控制结构示意图；

图4为本发明具体实施例中主轴和从轴指令曲线示意图；

图5为本发明具体实施例中主轴和从轴速度曲线示意图；

图6为本发明方法流程图；

图7为采用本发明方法修正前、后两轴同步误差示意图；

图8为放大后本发明同步控制方法在线性段和非线性段同步误差示意图；

图9为本发明和主令式同步、主从式同步控制结构同步误差对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的一种用于空间光学遥感器两轴随动***的同步控制方法做进一步解释和说明。

本发明方法的控制原理如图1所示。首先由被控机构主轴运动***的扫描周期T，有效扫描视角θ_r，扫描效率η，规划主轴运动曲线，得到主轴t时刻运动参考角度θ^*(t)，通过数字控制方法驱动主轴***按照位置指令信号运动；同时根据主轴***和随动轴***的转速比例关系k，得到等比转化后的位置信号作为随动轴***的位置指令信号，通过数字控制方法驱动随动***按照位置指令完成伺服运动。同时为了减小两轴的同步运动误差，在线检测主轴***和随动轴***每个采样周期内的当前角度误差，将误差通过同步误差控制器加载到随动轴***的位置指令上，来提高随动轴跟随主轴运动的同步精度。

本发明采用永磁同步力矩电机作为望远***和半角反射镜运动的执行部件，并在望远***和半角反射镜上各安装一个旋转变压器作为位置传感器，用于两转动***的角位置测量装置，通过三个数字控制器，分别为主轴跟踪误差控制器C₁、从轴跟踪误差控制器C₂、同步误差控制器C₃完成两轴的高精度同步运动控制。

如图6所示为本发明方法流程图，从图6可知，本发明提供的一种用于空间光学遥感器随动***的同步控制方法，具体步骤如下：

(1)利用预先设定的指标要求，设计主轴扫描***和从轴扫描***的位置伺服指令和所述指标包括扫描周期、扫描效率、线性段速度、主从轴跟随速度比和线性段起始角度；具体为：

T_x＝T*η

T_f＝T*(1-η)

给出；

Com_z＝θ_i+Speed_z*t_m,0<t_m<T_x

Acc_z＝0,0<t_m<T_x

给出；

Speed_z＝-A*cos(2*pi/T_f*(t_m-T_x))+(A+v),T_x<t_m<T

Acc_z＝A*2*pi/T_f*sin(2*pi/T_f*(t_m-T_x)),T_x<t_m<T

给出，其中A＝(360°-T*v)/T_f；

Com_c＝k*Com_z

Speed_c＝k*Speed_z

Acc_c＝k*Acc_z

给出；

给出。

(2)利用预先给定的已知主轴***的转动惯量J_z，电机的电流力矩系数K_mz，反电动势系数K_bz，电阻R_z，电感L_z设计主轴跟踪误差控制器，使主轴***的旋转扫描运动控制性能满足预先设定的扫描线性度要求；具体为：

(3)利用预先给定的从轴***的转动惯量J_c、电机的电流力矩系数K_mc、反电动势系数K_bc、电阻R_c和电感L_c设计从轴跟踪误差控制器，使得从轴跟踪误差控制器的闭环特性G₂与主轴跟踪误差控制器的闭环特性G₁相同；具体为：

进一步得到从轴跟踪误差控制器的控制律由公式：

(4)以为对象，设计同步误差控制器，使两轴随动***稳定跟踪0指令稳定；其中G₂为从轴跟踪误差控制器的闭环特性，P₂为从轴跟踪误差控制器的对象特性，C₂为步骤(3)得到的从轴跟踪误差控制器，k₂为两轴的转速比；具体为：

下面以一个具体实例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

某空间光学遥感***采用望远镜整体旋转扫描-半角反射镜补偿成像的方案，望远***从-180°到180°做单向连续变速旋转扫描，扫描频率为0.464Hz，望远***的扫描周期为2.154s，有效扫描视角为114°，扫描效率为45％，扫描非线性度小于0.3％，半角反射镜为双面反射镜，从-180°到180°做单向连续变速旋转扫描，半角反射镜按照0.5倍转速跟随望远扫描镜进行运动。要求望远***扫描角度偏差满足在13ms内主光学***偏差小于19”。两轴的同步误差小于64”。电机采用三相永磁同步力矩电机，旋转变压器采用32对极双通道无刷旋变。

1、计算望远***在线性段内[-57°～57°]的运动时间T_x，线性段内扫描速度ω_z ^*(t)，线性段内位置指令分别如下：

T_x＝2.154×0.45＝0.9693(s)

其中为迭代计算时上一次发出的主轴位置伺服指令。

2、计算望远***在非线性段内(57°～180°]，[-180°～-57°)的运动时间T_f，非线性段内扫描速度ω_z ^*(t)，非线性段内位置指令分别如下：

T_f＝2.154*0.55＝1.1847(s)

A＝(360°-2.154×117.61)/(2.154-0.9693)＝90.04

ω_z ^*(t)＝(90.04+117.61)-90.04×cos(2×π/1.1847×t)

指令曲线和速度曲线分别如图4和如图5所示。

3、计算半角反射镜的扫描速度曲线ω_c ^*(t)和位置指令

ω_c ^*(t)＝0.5×ω_z ^*(t)

4、根据望远***的对象特性，望远***执行电机为KBM(S)-57X02-C(科尔摩根电机)，其电气参数为转动惯量为J＝0.8kg·m²，电机的电流力矩系数为K_m＝3.23Nm/A，反电动势系数为K_b＝2.637V/(rad/s)，电阻为R＝0.5Ω，电感为L＝0.0027H。望远***的对象特性为

依据PID设计法设计望远***扫描控制器控制律为使其满足在线性段范围内的扫描角度误差满足13ms内主光学***偏差小于19”。可计算得其闭环传递函数特性为：

5.根据半角反射镜的被控对象特性，执行电机为J60SW001，其电气参数为转动惯量为J＝2.251×10^-5kg·m²，电机的电流力矩系数为K_m＝0.110Nm/A，反电动势系数为K_b＝0.109V/(rad/s)，电阻为R＝1.0Ω，电感为L＝0.55×10^-3H。半角***的对象特性为：

设计从轴跟踪误差控制器C₂,使从轴反射镜闭环性能G₂与主轴***的闭环特性G₁相同。

6、考虑到轴系摩擦力的存在，对摩擦力建模。考虑到库伦摩擦力、粘滞摩擦力、静摩擦力的结合。当|ω|<δ时，

当|ω|>δ时，T_f(t)＝[T_c+(T_m-T_c)×e^-α|ω]sgn(ω)+k_v×ω

其中，T_m＝2.3Nm(最大静摩擦力)，T_c＝0.6Nm(库伦摩擦力),k_v＝0.9(粘滞摩擦系数),α＝0.1,δ＝0.002。

7、以为对象，其中G₂为半角反射镜的闭环对象特性，k₂为两轴的转速比。在本例中k₂＝2。两轴同步误差控制器的对象特性为：

设计同步误差控制器使其跟踪”0”指令稳定，且满足两轴同步误差小于64″。

6.将C₃的输出加上作为半角反射镜的输入，并在输出上减去G₁的输出，构成同步控制闭环，用以减小两轴同步运动误差，进一步提高同步精度。

对比增加了同步误差控制器和没有增加同步误差控制器时，半角反射镜跟随望远***的同步误差如图7所示，增加同步误差控制器后***的同步误差放大示意图如图8所示。可以看到，同步误差大幅减小，且在线性段内满足同步误差小于64”的技术要求。

本发明还将该控制结构与前文提到的主令式同步控制结构(控制结构示意图如图2所示)、主从式同步控制结构(控制结构示意图如图3所示)做一对比，在望远***跟随控制器C₁和半角反射镜跟随控制器C₂不变的情况下，对比同步误差如图9所示。可以看到，在望远***跟随控制器和半角反射镜跟随控制器形式不变的情况下，本发明所示的图1结构同步控制器可以大幅提高同步精度，且不影响望远***的运动轨迹。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种用于空间光学遥感器随动***的同步控制方法，所述随动***包括主轴扫描***和从轴扫描***，其特征在于步骤如下：

(4)以为对象，设计同步误差控制器，使两轴随动***稳定跟踪0指令稳定；其中G₂为从轴跟踪误差控制器的闭环特性，P₂为从轴跟踪误差控制器的对象特性，C₂为步骤(3)得到的从轴跟踪误差控制器的控制率，k₂为两轴的转速比；

2.根据权利要求1所述一种用于空间光学遥感器随动***的同步控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中利用预先设定的指标要求，设计主轴扫描***和从轴扫描***的位置伺服指令和具体为：

T_x＝T*η

T_f＝T*(1-η)

给出；

Com_z＝θ_i+Speed_z*t_m,0<t_m<T_x

{Speed}_{z} = \frac{θ}{T_{x}}, 0 < t_{m} < T_{x}

Acc_z＝0,0<t_m<T_x

给出；

Speed_z＝-A*cos(2*pi/T_f*(t_m-T_x))+(A+v),T_x<t_m<T

Acc_z＝A*2*pi/T_f*sin(2*pi/T_f*(t_m-T_x)),T_x<t_m<T

给出，其中A＝(360°-T*v)/T_f；

Com_c＝k*Com_z

Speed_c＝k*Speed_z

Acc_c＝k*Acc_z

给出；

θ_{c m d}^{z} = θ_{i} + v * t_{m}, 0 < t_{m} < T_{x}

θ_{c m d}^{z} = (θ_{i} + v * T_{x}) + (A + v) * (t_{m} - T_{x}) - A * T_{f} / 2 / p i * s i n (2 * p i / T_{f} * (t_{m} - T_{x})), T_{x} < t_{m} < T

θ_{c m d}^{c} = k * θ_{c m d}^{z}

给出。

3.根据权利要求1所述一种用于空间光学遥感器随动***的同步控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中利用预先给定的已知主轴***的转动惯量J_z，电机的电流力矩系数K_mz，反电动势系数K_bz，电阻R_z，电感L_z设计主轴跟踪误差控制器，使主轴***的旋转扫描运动控制性能满足扫描线性度要求，具体为：

P_{1} (s) = \frac{K_{m z}}{L_{z} \times J_{z} \times s^{3} + R_{z} \times J_{z} \times s^{2} + K_{m z} \times K_{b z} \times s}

4.根据权利要求1所述一种用于空间光学遥感器随动***的同步控制方法，其特征在于：所述步骤(3)利用预先给定的从轴***的转动惯量J_c、电机的电流力矩系数K_mc、反电动势系数K_bc、电阻R_c和电感L_c设计从轴跟踪误差控制器，使得从轴跟踪误差控制器的闭环特性G₂与主轴***的闭环特性G₁相同，具体为：

P_{2} (s) = \frac{K_{m c}}{L_{c} \times J_{c} \times s^{3} + R_{c} \times J_{c} \times s^{2} + K_{m c} \times K_{b c} \times s},

进一步得到从轴跟踪误差控制器的控制律由公式：

C_{2} = C_{1} \times \frac{P_{1}}{P_{2}}

给出，其中，C₁为主轴跟踪误差控制器的控制率，P₁为主轴跟踪误差控制器的对象特性，P₂为从轴跟踪误差控制器的对象特性。

5.根据权利要求1所述一种用于空间光学遥感器随动***的同步控制方法，其特征在于：所述步骤(4)以为对象，设计两轴同步误差控制器C₃，使得其跟踪“0”指令稳定，具体为：

P_{3} (s) = G_{2} \times \frac{1}{k_{2}}

G_{2} = \frac{C_{2} \times P_{2}}{1 + C_{2} \times P_{2}}