專利名稱：主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及慣性導(dǎo)航控制技術(shù)，具體是一種主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制方法。
背景技術(shù)：
慣性導(dǎo)航是20世紀(jì)中期發(fā)展起來的導(dǎo)航技術(shù)，這種技術(shù)通過慣性測(cè)量裝置測(cè)量載體相對(duì)慣性空間的角速率以及加速度信息，利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律推算載體的瞬時(shí)姿態(tài)，速度和位置信息，具有不依賴外界信息、不對(duì)外輻射能量、不受干擾、隱蔽性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置因其具有體積小、成本低、維護(hù)簡單、測(cè)量精度高、計(jì)算量適中等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航。根據(jù)半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置在實(shí)現(xiàn)半捷聯(lián)過程中是否具有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以將半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置分為被動(dòng)式與主動(dòng)式兩種。其中，被動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝、成本低的優(yōu)點(diǎn)。但是被動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置需要根據(jù)實(shí)際測(cè)量對(duì)象進(jìn)行具體參數(shù)設(shè)計(jì)，因而對(duì)不同測(cè)量對(duì)象的通用性較差。主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置具有閉環(huán)控制、系統(tǒng)體積小等特點(diǎn)，使得主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置具有測(cè)量精度更高、對(duì)測(cè)量對(duì)象通用性更好等優(yōu)點(diǎn)。由于主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置具有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制品質(zhì)將直接影響到主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置的測(cè)量精度。因此，如果能夠有效地提高主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制品質(zhì)，就可以大幅度地提高主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置的測(cè)量精度和應(yīng)用范圍?；诖?，有必要發(fā)明一種能夠有效提高主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制品質(zhì)的方法。然而目前并無這樣一種方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決目前尚無一種能夠有效提高主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制品質(zhì)的方法的問題，提供了一種主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制方法。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制方法，該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的a.采用大量程陀螺、小量程陀螺、高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化采集電路構(gòu)成轉(zhuǎn)速復(fù)合測(cè)量-轉(zhuǎn)速誤差補(bǔ)償系統(tǒng)；大量程陀螺安裝于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)軸向，用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)在高轉(zhuǎn)速情況下的轉(zhuǎn)速采集；小量程陀螺安裝于慣性測(cè)量裝置軸向，用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)在極低轉(zhuǎn)速情況下的轉(zhuǎn)速采集，以及用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)在高轉(zhuǎn)速情況下對(duì)大量程陀螺的測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償；高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化采集電路安裝于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，用于實(shí)現(xiàn)大量程陀螺和小量程陀螺的同步高速采集；b.采用兩個(gè)高精度加速度計(jì)構(gòu)成陀螺g值敏感性補(bǔ)償系統(tǒng)；兩個(gè)高精度加速度計(jì)分別安裝于大量程陀螺附近處與小量程陀螺附近處，分別用于對(duì)大量程陀螺和小量程陀螺所受到的重力加速度進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而補(bǔ)償大量程陀螺與小量程陀螺在測(cè)量過程中因重力影響而產(chǎn)生的測(cè)量誤差；c.采用逐次逼近PID整定方法對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器進(jìn)行參數(shù)整定；通過大量程陀螺輸出的采樣值建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)的階躍響應(yīng)曲線；通過小量程陀螺輸出的采樣值解算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的誤差量；采用模糊控制方法逐次微調(diào)整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)；采用Ziegler-Nichols常規(guī)整定方法對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整定； d.采用具有高響應(yīng)速度和能夠精確定位的伺服電機(jī)與高精度編碼器構(gòu)成高動(dòng)態(tài)響應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)；伺服電機(jī)與高精度編碼器根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)作出實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，并隨時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)的微小旋轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。本發(fā)明有效解決了目前尚無一種能夠有效提高主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制品質(zhì)的方法的問題，其實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置在各種工作情況(如載體從靜止瞬間啟動(dòng)為高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、載體處于轉(zhuǎn)速頻繁劇烈變化狀態(tài)等)下能夠正常工作，適用于高轉(zhuǎn)速、小體積飛行器的姿態(tài)、軌跡測(cè)量。


圖I是本發(fā)明的主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)的階躍響應(yīng)曲線圖。圖中I-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)，2-慣性測(cè)量裝置，3-大量程陀螺的安裝位置，4-小量程陀螺的安裝位置。
具體實(shí)施例方式主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制方法，該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的
a.采用大量程陀螺、小量程陀螺、高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化采集電路構(gòu)成轉(zhuǎn)速復(fù)合測(cè)量-轉(zhuǎn)速誤差補(bǔ)償系統(tǒng)；大量程陀螺安裝于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)I軸向，用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)I在高轉(zhuǎn)速情況下的轉(zhuǎn)速采集；小量程陀螺安裝于慣性測(cè)量裝置2軸向，用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)I在極低轉(zhuǎn)速情況下的轉(zhuǎn)速采集，以及用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)I在高轉(zhuǎn)速情況下對(duì)大量程陀螺的測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償；高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化采集電路安裝于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，用于實(shí)現(xiàn)大量程陀螺和小量程陀螺的同步高速采集；
b.采用兩個(gè)高精度加速度計(jì)構(gòu)成陀螺g值敏感性補(bǔ)償系統(tǒng)；兩個(gè)高精度加速度計(jì)分別安裝于大量程陀螺附近處與小量程陀螺附近處，分別用于對(duì)大量程陀螺和小量程陀螺所受到的重力加速度進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而補(bǔ)償大量程陀螺與小量程陀螺在測(cè)量過程中因重力影響而產(chǎn)生的測(cè)量誤差；
c.采用逐次逼近PID整定方法對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器進(jìn)行參數(shù)整定；通過大量程陀螺輸出的采樣值建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)I的階躍響應(yīng)曲線；通過小量程陀螺輸出的采樣值解算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)I實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的誤差量；采用模糊控制方法逐次微調(diào)整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)；采用Ziegler-Nichols常規(guī)整定方法對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整定；
d.采用具有高響應(yīng)速度和能夠精確定位的伺服電機(jī)與高精度編碼器構(gòu)成高動(dòng)態(tài)響應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)；伺服電機(jī)與高精度編碼器根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)作出實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，并隨時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)I的微小旋轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。所述步驟a中，大量程陀螺的敏感軸和小量程陀螺的敏感軸均指向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)I軸向。
所述步驟b中，兩個(gè)高精度加速度計(jì)的敏感軸均與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)I的橫滾軸垂直。所述步驟c中，建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)的階躍響應(yīng)曲線后，求得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳遞函
數(shù)0(β'>=去廣;式中，ζ、τ、￡均為特征參數(shù)；^值為大量程陀螺輸出的連續(xù)兩
次采樣值的比值值為大量程陀螺單次采樣時(shí)間的值；通過小量程陀螺輸出的連續(xù)三次采樣值解算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)I實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的誤差量，并將解算出的誤差量作為模糊控制的變量；然后根據(jù)模糊控制權(quán)值表計(jì)算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器的實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的差值變化趨勢(shì)權(quán)值，進(jìn)而根據(jù)權(quán)值計(jì)算出i值；而后將值〒值“值代入 Z-N整定表，根據(jù)Z-N整定表對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整定。圖2所示為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)的階躍響應(yīng)曲線。結(jié)合圖2進(jìn)一步做如下說明假設(shè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)初始轉(zhuǎn)速為Y(O)，直線AB為過階躍響應(yīng)曲線拐點(diǎn)的切線，切點(diǎn)為P點(diǎn)。切線與Y(O)交點(diǎn)為A點(diǎn)，與目標(biāo)轉(zhuǎn)速Y(m)的交點(diǎn)為B點(diǎn)。線段AB在時(shí)間軸上投影的長度值即為Γ值，A點(diǎn)到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)的啟動(dòng)初始時(shí)間的長度值即為“值設(shè)小量程陀螺的連續(xù)三次采樣轉(zhuǎn)速值為rn+1、rn+2、rn+3,則將(rn+2 - rn+1)、(rn+3 - rn+2)作為模糊控制的變量。設(shè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器的實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的差值變化趨勢(shì)權(quán)值為 q={-3，-2，-1,0,1,2,3} 0在每一次小量程陀螺采樣后根據(jù)模糊控制權(quán)值表計(jì)算權(quán)值q，則可以得出L=5q。所述模糊控制權(quán)值表如下
權(quán)利要求
1.一種主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制方法，其特征在于該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的a.采用大量程陀螺、小量程陀螺、高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化采集電路構(gòu)成轉(zhuǎn)速復(fù)合測(cè)量-轉(zhuǎn)速誤差補(bǔ)償系統(tǒng)；大量程陀螺安裝于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)(I)軸向，用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)(I)在高轉(zhuǎn)速情況下的轉(zhuǎn)速采集；小量程陀螺安裝于慣性測(cè)量裝置(2)軸向，用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)(I)在極低轉(zhuǎn)速情況下的轉(zhuǎn)速采集，以及用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)(I)在高轉(zhuǎn)速情況下對(duì)大量程陀螺的測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償；高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化采集電路安裝于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，用于實(shí)現(xiàn)大量程陀螺和小量程陀螺的同步高速采集；b.采用兩個(gè)高精度加速度計(jì)構(gòu)成陀螺g值敏感性補(bǔ)償系統(tǒng)；兩個(gè)高精度加速度計(jì)分別安裝于大量程陀螺附近處與小量程陀螺附近處，分別用于對(duì)大量程陀螺和小量程陀螺所受到的重力加速度進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而補(bǔ)償大量程陀螺與小量程陀螺在測(cè)量過程中因重力影響而產(chǎn)生的測(cè)量誤差；c.采用逐次逼近PID整定方法對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器進(jìn)行參數(shù)整定；通過大量程陀螺輸出的采樣值建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)(I)的階躍響應(yīng)曲線；通過小量程陀螺輸出的采樣值解算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)(I)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的誤差量；采用模糊控制方法逐次微調(diào)整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)；采用Ziegler-Nichols常規(guī)整定方法對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID 控制器的參數(shù)進(jìn)行整定；d.采用具有高響應(yīng)速度和能夠精確定位的伺服電機(jī)與高精度編碼器構(gòu)成高動(dòng)態(tài)響應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)；伺服電機(jī)與高精度編碼器根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)作出實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，并隨時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)(I)的微小旋轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制方法，其特征在于所述步驟a中，大量程陀螺的敏感軸和小量程陀螺的敏感軸均指向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)(I)軸向。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制方法，其特征在于所述步驟b中，兩個(gè)高精度加速度計(jì)的敏感軸均與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)(I)的橫滾軸垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制方法，其特征在于所述步驟c中，建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)的階躍響應(yīng)曲線后，求得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)剛=7^~廣;式中，7 w均為特征參數(shù) 值為大量程陀螺輸出的連續(xù)兩 +1L· i L·L·次采樣值的比值；Γ值為大量程陀螺單次采樣時(shí)間的值；通過小量程陀螺輸出的連續(xù)三次采樣值解算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)(I)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的誤差量，并將解算出的誤差量作為模糊控制的變量；然后根據(jù)模糊控制權(quán)值表計(jì)算驅(qū)動(dòng)手統(tǒng)的PID控制器的實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的差值變化趨勢(shì)權(quán)值，進(jìn)而根據(jù)權(quán)值計(jì)算出“值；而后將[值、Γ值、L值代入Z-N整定表，根據(jù)Z-N整定表對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整定。
全文摘要
本發(fā)明涉及慣性導(dǎo)航控制技術(shù)，具體是一種主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制方法。本發(fā)明解決了目前尚無一種能夠有效提高主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制品質(zhì)的方法的問題。主動(dòng)式半捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制方法，該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的a.采用大量程陀螺、小量程陀螺、高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化采集電路構(gòu)成轉(zhuǎn)速復(fù)合測(cè)量-轉(zhuǎn)速誤差補(bǔ)償系統(tǒng)；b.采用兩個(gè)高精度加速度計(jì)構(gòu)成陀螺g值敏感性補(bǔ)償系統(tǒng)；c.采用逐次逼近PID整定方法對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID控制器進(jìn)行參數(shù)整定；d.采用伺服電機(jī)與高精度編碼器構(gòu)成高動(dòng)態(tài)響應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)。本發(fā)明適用于高轉(zhuǎn)速、小體積飛行器的姿態(tài)、軌跡測(cè)量。
文檔編號(hào)G05B11/42GK102608912SQ201210078220
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者劉俊, 劉喆, 唐軍, 崔星, 張曉明, 李 杰, 楊衛(wèi), 石云波, 秦麗, 趙詣, 郭濤, 馬喜宏, 鮑愛達(dá) 申請(qǐng)人:中北大學(xué)