一种基于陀螺反馈的机电系统增广回路控制方法与流程

本发明涉及机电伺服控制领域，具体涉及一种基于陀螺反馈的机电系统增广回路控制方法。

背景技术：

1、基于陀螺反馈的机电系统广泛用于各类惯性稳定平台，如光电/电子吊舱、航拍云台、车载雷达等领域。此类惯性稳定平台通常安装在可移动平台上用于隔离基座扰动，保持测量传感器的视线角稳定，同时实现俯仰、方位等角度跟踪。反馈陀螺能够同时感知基座及稳定平台伺服电机转动，对于实现惯性空间稳定至关重要。

2、此类伺服平台通常可建模为三阶系统，目前，工程上一般采用电流、速度、位置三回路控制结构，并配以相应的前馈、扰动观测等技术手段以增强控制性能。但陀螺传感器的引入，为速度控制回路设计提供了多种选择，即电机转速反馈、陀螺量测反馈或两者复合。在基于陀螺反馈的闭环回路中，电机转速波动及平台基座运动将被同时耦合进控制回路中，从而对控制性能产生直接影响。传统三闭环控制模式的处理思路是将两者的影响叠加考虑，并采取技术手段分别进行补偿。但这将增加陀螺回路的控制负担，尤其针对一类非直拖结构的伺服稳定平台（经过导杆、减速器等机械机构进行传动），处理不当易引起系统不稳定，甚至导致伺服产品飞车损毁。

3、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、为避免现有技术的不足之处，本发明提供了一种基于陀螺反馈的增广回路控制方法，用于解决直拖或非直拖型伺服稳定平台中速度回路控制复杂，且易出现控制不稳的问题。

2、本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。

3、根据本发明的第一方面，提供一种基于陀螺反馈的增广回路控制方法，所述方法包括：

4、针对安装在动基座基座上的惯性稳定平台，建立系统模型；

5、基于系统模型，将伺服系统传统位置、转速、电流三闭环控制中的速度控制回路拆分为电机转速控制回路与陀螺稳定回路；其中，电机转速控制回路为内层回路，陀螺稳定回路为外层回路，组合形成位置外环、陀螺稳定回路、电机转速回路、电流内环依次串联的四闭环控制结构；

6、所述电机转速控制回路采用 pid、滑模或模型预测 mpc 控制方法进行设计，完成闭环后将电机转速回路等效近似为一阶传递函数；

7、所述陀螺稳定回路即为增广控制回路，以安装在稳定平台上的角速率陀螺为测量反馈信号，通过构造陀螺增广回路运动学方程，结合控制理论相关知识设计非线性控制律，实现增广回路控制，并借助李雅普诺夫理论分析系统稳定性；

8、所述陀螺增广回路运动学方程，是将电机转速控制回路近似为一阶传递函数后，进一步融合稳定平台非线性及未知模型特征，而构造的一种以陀螺测量为系统状态的微分方程。

9、在一些示例性实施方式中，所述数学系统模型，具体为：

10、

11、式中，表示稳定平台的惯性空间角，表示非线性函数，表示基座转动角速率，表示伺服电机转速，表示转动惯量，表示力矩系数，表示负载力矩，表示电机输入电流，表示模型未知扰动。

12、在一些示例性实施方式中，所述电机转速控制回路等效为一阶系统，表示为

13、（3）

14、式中，表示等效一阶系统的时间常数，表示电机转速控制回路的输入指令。

15、在一些示例性实施方式中，所述构造陀螺增广回路运动学方程的过程分为如下两步：

16、第一步：得到陀螺反馈的计算模型，具体表示为

17、（4）

18、式中，表示陀螺反馈角速率；

19、第二步；对式（4）求导，并联立式（3）得

20、

21、式（5）即为由微分方程描述的陀螺增广回路运动学方程。

22、在一些示例性实施方式中，设计陀螺反馈增广回路非线性控制律的过程如下三步：

23、第一步：定义角速率跟踪误差为

24、（6）

25、第二步：对式（6）求导

26、（7）

27、第三步：借助式（7）设计陀螺增广回路控制律

28、（8）

29、式中，表示设计参数，表示前馈控制量，计算式为

30、（9）。

31、在一些示例性实施方式中，所述基于李雅普诺夫的稳定性分析过程如下：

32、首先，假设未知扰动及为有界量，且，其中为正常数；其次，定义李雅普诺夫函数

33、（10）

34、对式（10）求导并联立式（7）、（8），得

35、（11）

36、式中，为有界小量，取设计参数，则可保证李雅普诺夫函数中所有变量是一致终值有界的，表明所设计陀螺增广回路是稳定的。

37、在一些示例性实施方式中，所述四闭环控制结构层级由外至内依次为：位置控制回路、陀螺稳定增广回路、电机转速控制回路、电流控制回路；其中电机外部力矩扰动耦合至内层电机转速控制回路，稳定平台非线性特性与基座扰动耦合至外层陀螺稳定增广回路，实现两类干扰解耦分回路独立处理。

38、根据本发明的第二方面，提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的基于陀螺反馈的增广回路控制方法。

39、根据本发明的第三方面，提供一种计算机程序产品，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的第一方面所述的基于陀螺反馈的增广回路控制方法。

40、根据本发明的第四方面，提供一种电子设备，包括：

41、处理器；以及

42、存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；

43、其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令时实现上述第一方面所述的基于陀螺反馈的增广回路控制方法。

44、本发明的实施例所提供的基于陀螺反馈的机电系统增广回路控制方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

45、1、干扰解耦分离：将平台非线性、基座扰动与电机外部力矩干扰拆分至陀螺外环、电机转速内环分别处理，消除两类干扰耦合叠加带来的控制压力，避免非直拖传动平台失稳、飞车问题。

46、2、降低控制难度：新增陀螺增广回路分担姿态稳定任务，大幅简化最外环位置回路控制器设计难度，提升视线稳定隔离效果。

47、3、稳定性能优异：依托李雅普诺夫理论完成稳定性证明，系统状态一致终值有界，鲁棒性强，适配非线性特征突出的惯性稳定平台。

48、4、工程落地性强：控制算法运算量小，转速环兼容 pid、滑模、mpc 多种成熟控制算法，直拖、带减速器非直拖伺服系统均可适用，适配光电吊舱、车载雷达、航拍云台等多类设备。

49、5、泛用性广：仅通过回路重构即可改造传统三闭环伺服架构，无需大幅更改硬件结构，改造成本低、移植便捷。

50、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。