CN111796509A - 一种陀螺自稳定控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种陀螺自稳定控制方法,该方法包括:明确并分析稳定平台的结构和工作原理;构建MEMS微机械陀螺模型,并计算其传递函数;构建直流力矩电机模型,并计算其传递函数;构建PWM功放环节模型,并计算其传递函数;综合整理各环节的传递函数,并计算得出整个稳定回路的开环传递函数、闭环传递函数;分析原始***稳定回路时域性能;搭建双轴稳定平台稳定回路的仿真模型、调节PID参数,最终通过比例、积分、微分设定对被控对象进行校正控制。本发明的陀螺自稳定控制方法,提高了稳定平台的动静态性能和抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明专利公开了一种陀螺自稳定控制方法,涉及稳定平台控制领域,尤其涉及一种陀螺自稳定控制方法。
背景技术
车载或机载的搜跟瞄装置在工作过程中,容易受载体的运动以及其他扰动对装置造成影响而产生的误差,因此必须建立稳定平台,将跟踪传感器的视轴与基座的运动和振动等相隔离,使光电器件等负载稳定在固定的惯性空间方向,保证***在运动时不受各种干扰,获得高性能指标。针对稳定平台,陀螺自稳定控制方法的优劣可直接影响自稳定的响应频率和控制精度,是整个自稳定控制过程中最不可或缺的一环。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题,本发明提供一种陀螺自稳定控制方法,用于提升稳定平台的动静态性能和抗干扰能力。
为了达到上述目的,本发明采用的技术方案包括以下步骤:
S1分析稳定平台的结构和工作原理;
S2构建MEMS微机械陀螺模型,得出传递函数GMEMS(s);
S3构建直流力矩电机模型,得出传递函数GS(s)s;
S4构建PWM功放环节模型,得出传递函数GPWM(s);
S5综合整理以上各环节的传递函数,得出稳定回路的开环传递函数Gp(s)、闭环传递函数Φb(s);
S6分析原始***时域性能;
S7搭建模型、调节参数、校正控制。
进一步的,所述步骤S1具体为:明确并分析稳定平台的结构和工作原理,为MEMS陀螺、直流力矩电机框架、功率放大器等研究对象的建模奠定良好条件。
进一步的,所述步骤S2具体为:构建MEMS微机械陀螺模型,计算得出其传递函数GMEMS(s);
所述MEMS微机械陀螺在受到扰动时输出相对应的角速度数据从测量到输出数据的过程中并没有经过放大环节,因此可以将MEMS陀螺传递函数等效为一个比例环节,即:
GMEMS(s)=Kg (1)
进一步的,所述步骤S3具体为:具体按照公式(2)计算直流力矩电机的传递函数模型:
在(2)式中,Te是直流力矩电机的电磁时间常数,表达式为:Te=La/Ra;
式中τ是PWM脉宽信号的脉宽,Tpwm是所述PWM脉宽信号的周期;Vp是功放环节的电压。
Tclk是定时器输入的周期,nc是送入到计数器的值。
综合可得功放环节的传递函数:
进一步的,所述步骤S5具体为:对整个稳定回路各环节的传递函数进行综合整理,计算得出整个稳定回路的开环传递函数Gp(s)、闭环传递函数Φb(s);
按照公式(4)可得稳定回路的开环传递函数Gp(s),公式(5)可得稳定回路的闭环传递函数Φb(s)。
进一步的,所述步骤S6具体为:对原始***稳定回路时域性能分析,并根据***的Bod图及单位阶跃响应曲线,进而得出原始稳定回路数学模型的***带宽、相位裕度、稳态误差、上升时间、超调量等参数;
进一步的,所述步骤S7具体为:依据步骤S1至S6所得,通过Simulink工具箱搭建双轴稳定平台稳定回路的仿真模型,之后再利用PID Tuner Controller工具箱对稳定平台进行PID参数的调整,通过比例、积分、微分设定对被控对象进行校正控制。
本发明的有益效果是:本发明是一种基于MEMS陀螺的稳定回路陀螺自稳定控制方法,先明确稳定平台的***内部构造及工作原理,对选定的稳定平台研究对象进行结构和工作原理的分析,进而得到研究对象各个环节的理论及数学模型,之后再根据控制回路推导出***理论开环、闭环的传递函数,构建起研究对象的整体模型,并调节PID参数,通过比例、积分、微分设定对被控对象进行校正控制。综上所述,本发明基于MEMS陀螺设计一种输出动静态性能好、响应频率高、超调量小、抗干扰能力强的自稳定控制的稳定回路PID算法,实现了对稳定平台模型的速度环、位置环仿真、验证,提高了平台的自稳定性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明流程示意图。
图2为本发明单轴稳定回路的数学模型结构框图。
图3为本发明速度环模型框架图。
图4为本发明位置环模型框架图。
图5为本发明三种扰动情况下的***速度环的输入与跟踪曲线图。
本图中,a1:输入与扰动同频不同幅的速度跟踪曲线;a2:输入与扰动同频不同幅速度跟踪误差曲线;b1:输入与扰动不同频不同幅的速度跟踪曲线;b2:输入与扰动不同频不同幅时速度跟踪误差曲线;c1:输入与扰动同幅不同频的速度跟踪曲线;c2:输入与扰动同幅不同频的速度跟踪误差曲线。
图6为本发明三种扰动情况下的***位置环的输入与跟踪曲线图。
本图中,d1:输入与扰动同频不同幅的位置跟踪曲线;d2:输入与扰动同频不同幅的位置跟踪误差曲线;e1:输入与扰动不同频不同相的位置跟踪曲线;e2:输入与扰动不同频不同相的位置跟踪误差放大曲线;f1:输入与扰动同幅不同频的位置跟踪曲线;f2:输入与扰动同幅不同频的位置跟踪误差曲线。
图7为本发明加入陀螺漂移时三种扰动情况下的***位置环输入与跟踪曲线的误差曲线图。
本图中,g1:输入与扰动同频不同幅的位置跟踪曲线;g2:输入与扰动同频不同幅的位置跟踪误差曲线;h1:输入与扰动不同频不同幅的位置跟踪曲线;h2:输入与扰动不同频不同幅的位置跟踪误差曲线;i1:输入与扰动不同频不同幅的位置跟踪曲线;i2:输入与扰动不同频不同幅的位置跟踪误差曲线。
图8为本发明加入高斯噪声时三种扰动情况下的***位置环输入与跟踪曲线的误差曲线图。
图中,j1:输入与扰动同频不同幅的位置跟踪曲线;j2:输入与扰动同频不同幅的位置跟踪误差曲线;k1:输入与扰动不同频不同幅的位置跟踪曲线;k2:输入与扰动不同频不同幅的位置跟踪误差曲线;L1:输入与扰动不同频不同幅的位置跟踪曲线;L2:输入与扰动不同频不同幅的位置跟踪误差曲线.
具体实施方式
为了更好的解释本发明,以便于理解,下面结合附图,通过具体实施方式,对本发明作进一步详细的说明。
请参阅图1-8,本发明提供一种基于MEMS陀螺的稳定回路陀螺自稳定控制方法,如图1所示,可详述为如下:
步骤S1:先明确稳定平台的***内部构造及工作原理,对选定的稳定平台研究对象进行结构和工作原理的分析,进而得到研究对象各个环节的理论及数学模型,之后再根据控制回路推导出***理论开环、闭环的传递函数,构建起研究对象的整体模型。
步骤S2:以MEMS陀螺为稳定平台***中敏感扰动角速率的器件,器件自身无力矩作用,稳定平台***在工作时抵消掉扰动力矩的效果完全是通过依靠直流电机进行实现的,MEMS传感器所得到的输出信号经过IMU内部的模数转化作用,将最终转化成的相应数值传递交给DSP,而后结合标定实验所得到的数据即可得出输入角速度的测量值。故MEMS陀螺的数学模型Kg的值等效为常数1,即Gmems(s)=Kg=1.
步骤S3:以直流力矩电机作为执行元件,其转速是一种只与电流相关的连续函数,基本作用为输出力矩,堵转状态下输出力矩与输入的电流呈线性关系。对力矩电机平衡横方程:直流力矩电磁方程:M(t)=CmIa(t)、直流力矩电机反电动势方程:直流力矩电机力矩平衡方程:VM(t)=M(t)-Md(t)、直流力矩电机转动惯量的方程:进行拉式变换,得到复频域下的方程为:
U(s)=e(s)+RaIa(s)+LasIa(s)
M(s)=CmIa(s)
Ea(s)=Cew(s)
假设电机轴与负载为刚性连接,则力矩Md为0,则传递函数为:式中,Te是直流力矩电机的电磁时间常数,表达式为:Te=La/Ra,Tm是直流力矩电机的机电时间常数,表达式为:Tm=RaJ/CmCe。双轴稳定平台所用的执行元件力矩电机的传递函数模型是标准的二阶环节。
步骤S4:稳定回路上的速度环控制器本身输出的电机控制信号电流较小,不足以驱动电机输出足够大的控制力矩,因此,稳定回路中设有功放环节,负责在电机控制信号送人执行元件直流力矩电机前对其进行功率的放大。功放环节的电路部分具体采用了H桥双极全桥电路。
考虑到PWM脉宽电路的频率远远大过执行元件直流电机的截止频率,所以功率放大环节的模型就可以看成是一个纯比例部分:Gpwm(s)=Kpwm。实际功放环节提供给力矩电机的最大电压是供电电压2倍,则根据实际相关参数再结合功放环节的理论模型,可得:Gpwm(s)=Kpwm=2。
步骤S5:综上,整理稳定回路各环节的传递函数可得如图2所示的单轴稳定回路的数学模型结构框图,并可得整个稳定回路的闭环传递函数。
在图2中,Md是来自于外部的干扰力矩;wi是输入的指令角速度;w0是MEMS传感器获取的角速度;wd是载体的扰动角速度。
步骤S6:为方便后续控制算法的设计,则在此也利用原始稳定回路的数学模型进行控制***性能测试,得出***的频带宽度51.8842Hz、相位裕度为60.2deg、稳态误差0.495、阶跃响应的上升时间0.353s超调量6.34%.可见原始方位框速度内环稳定回路的稳态误差很大,且反应速度很慢,在稳态性能和动态性能上都不满足基本的控制设计指标的要求,所以需对未校正的平台稳定回路校施加控制算法进行校正。
步骤S7:最后进行校正控制,首先通过Simulink工具箱搭建双轴稳定平台方位框稳定回路的仿真模型,之后再利用PID Tuner Controller工具箱对稳定平台方位框进行PID参数的调整,通过比例、积分、微分设定对被控对象进行校正控制。
1)速度环仿真,其速度环模型框架图如图3所示。
在速度环中输入信号为阶跃信号时,通过拖动响应时间(Response Time)滚动条调整***响应状态。最终调整所得PID参数P=184.11,I=368.056,D=7.8618,滤波系数=63179.4。根据调试界面可知,当前阶跃响应曲线的上升时间tr为0.00355s,调节时间ts=0.0317s,超调量为3.24%,峰值为1.03,最终稳态误差ess为0,***最终达到稳态。
2)位置环仿真,其位置环模型框架图如图4所示。
载体干扰角速度设为15°、0.2Hz和3°、1HZ的正弦信号,在位置环中输入信号为阶跃信号时,通过拖动响应时间滚动条调整***响应状态最终调整所得PID参数P=1033,I=9439,D=1.6948,滤波系数=2867。根据调试界面可知,当前阶跃响应曲线的上升时间tr为0.00135s,调节时间ts=0.0021s,超调量σ%为1.05%,最终稳态误差ess为0,***最终进入稳态状态。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (8)
1.一种陀螺自稳定控制方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
S1分析稳定平台的结构和工作原理;
S2构建MEMS微机械陀螺模型,得出传递函数GMEMS(s);
S3构建直流力矩电机模型,得出传递函数GS(s);
S4构建PWM功放环节模型,得出传递函数GPWM(s);
S5综合整理以上各环节的传递函数,得出稳定回路的开环传递函数Gp(s)、闭环传递函数Φb(s);
S6分析原始***时域性能;
S7搭建模型、调节参数、校正控制。
2.根据权利要求1所述的一种陀螺自稳定控制方法,其特征在于,所述步骤S1具体为:明确并分析稳定平台的结构和工作原理,为MEMS陀螺、直流力矩电机框架、功率放大器等研究对象的建模奠定良好条件。
3.根据权利要求1所述的一种陀螺自稳定控制方法,其特征在于,所述步骤S2具体为:构建MEMS微机械陀螺模型,计算得出其传递函数GMEMS(s);
所述MEMS微机械陀螺在受到扰动时输出相对应的角速度数据从测量到输出数据的过程中并没有经过放大环节,因此可以将MEMS陀螺传递函数等效为一个比例环节,即:
GMEMS(s)=Kg (1)
7.根据权利要求1所述的一种陀螺自稳定控制方法,其特征在于,所述步骤S6具体为:对原始***稳定回路时域性能分析,并根据***的Bod图及单位阶跃响应曲线,进而得出原始稳定回路数学模型的***带宽、相位裕度、稳态误差、上升时间、超调量等参数。
8.根据权利要求1所述的一种陀螺自稳定控制方法,其特征在于,所述步骤S7具体为:依据步骤S1至S6所得,通过Simulink工具箱搭建双轴稳定平台稳定回路的仿真模型,之后再利用PID Tuner Controller工具箱对稳定平台进行PID参数的调整,通过比例、积分、微分设定对被控对象进行校正控制。
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