碩士論文光纖陀螺視線穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計與工程實現(xiàn)-第4章 工程實現(xiàn)[教育課資]

1、第四章 工程實現(xiàn)FOGSS是一個精密的機電系統(tǒng)裝置。通過工程設(shè)計工作，基本完成了前階段預期期間的工程要求，同時發(fā)現(xiàn)了一些技術(shù)上的問題。本章將就硬件配置、控制系統(tǒng)綜合、軟件設(shè)計展開討論。4.1硬件組成硬件系統(tǒng)的基本框圖如圖 4-1所示。系統(tǒng)由從結(jié)構(gòu)上由兩大塊組成：外框架回路（組件名稱上標注1）和內(nèi)框架回路（組件名稱上標注2），內(nèi)環(huán)對外環(huán)有耦合作用，為了設(shè)計方便，通過光電編碼器對環(huán)架進行了解耦。這樣，每個環(huán)架實現(xiàn)了單入單出，并且環(huán)架的控制律的設(shè)計是類似的。在硬件設(shè)計上，作了以下考慮：1. 采用工業(yè)PC和運動控制卡GO400組成控制計算機系統(tǒng)。這樣可以避免設(shè)計繁雜的硬件電路，并且可以使用PC機功能齊

2、全的軟件系統(tǒng)，便于軟件編程和系統(tǒng)調(diào)試。2. 采用Compumotor公司的直接驅(qū)動方式的無刷直流電機作為執(zhí)行器。直接驅(qū)動電機的精度較高，而且可以實現(xiàn)傳動鏈的簡化和結(jié)構(gòu)的簡化，避免復雜的傳動機構(gòu)帶來的機械加工誤差。3. 系統(tǒng)的兩級安全保護：為防止控制作用處理失誤造成相機和整個框架受損，設(shè)置兩級限位裝置對系統(tǒng)進行保護。第一級為光電型行程開關(guān)，當系統(tǒng)超出工作范圍時由軟件進行故障處理，第二級為機械式擋塊，阻止框架連續(xù)旋轉(zhuǎn)而絞斷電機信號傳輸電纜。4. 云臺框架初始化的硬件保證：為了盡可能的減小穩(wěn)定系統(tǒng)兩框架之間的耦合，需要每次啟動系統(tǒng)自動校零。由于基座伺服回路的位置傳感器為增量式光電編碼器，因而在硬件設(shè)

3、計上采用光電行程開關(guān)幫助云臺系統(tǒng)回到理想的初始位置（相機LOS的水平位置）。IPCBDDM2Encoder2Frame2GO-400Motion controllerBDDM1Encoder1Frame1FOG1FOG2圖4-1 FOGSS的結(jié)構(gòu)Figure 4-1 the structure of FOGSS圖中IPC：研華工控機；GO400：運動控制卡；BDDM1、BDDM2：Compumotor公司的無刷直接驅(qū)動電機DM1030B（外環(huán)）和DM1015B（內(nèi)環(huán)）；FOG1、FOG2：KVH公司數(shù)字輸出開環(huán)光纖陀螺Ecore 2000；Encoder1、Encoder2：電機內(nèi)嵌的增量式光

4、電編碼器；Frame1、Frame2：云臺的外框架和內(nèi)框架；4.2 數(shù)字PID控制控制系統(tǒng)綜合是系統(tǒng)設(shè)計的核心部分。需要考慮的控制律和運動控制有：l 穩(wěn)定回路的控制l 基座伺服回路控制l 方位自動校零l 俯仰自動校零l 基座伺服回路與穩(wěn)定回路的相互切換由于穩(wěn)定回路是系統(tǒng)的核心部分，我們僅僅討論穩(wěn)定回路設(shè)計。4.2.1外環(huán)穩(wěn)定回路控制器設(shè)計有了前面的模型處理工作之后，我們就可以進行控制器設(shè)計了。設(shè)計掌握的基本原則是：結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便；下面，我們具體的就每個回路分別討論?？刂葡到y(tǒng)綜合是針對簡化模型的，由第二章的系統(tǒng)分析，我們可以得到穩(wěn)定回路的簡化模型如下圖所示。此時摩擦力矩先假定為一個干擾。圖4

5、-2 穩(wěn)定回路控制系統(tǒng)綜合用框圖Figure 4-2 simplified diagram of stabilization loop used for control system synthesis1. PID控制器設(shè)計設(shè)計框圖如圖4-2所示。名義對象Gp(s) （41）其z傳函為Gp(z)Zzoh（Gp(s)）= = （42）式中 K = 0.8208 （43）考慮光纖陀螺的一拍延遲，則整個系統(tǒng)的開環(huán)z傳函為Go(z) =（44） 采用w變換18，z 或w （45）Go(w) =（46）Go(jv) =（47）校正前系統(tǒng)的對數(shù)頻率特性如圖4-3所示，圖4-3 校正前的系統(tǒng)的對數(shù)頻率特性F

6、igure 4-3 frequency characteristics before control system synthesis系統(tǒng)對斜坡角度率信號響應是有差的，為了消除位置誤差和提高增益，采用遲后校正，為了調(diào)試方便，設(shè)計中采用基本II型系統(tǒng)，故可取校正函數(shù)：Gc(w) =（48）取w110rad/s，Kc=244，此時帶寬約為20rad/s，在調(diào)試時應在線調(diào)整這兩個參數(shù)。校正后的對數(shù)頻率特性如圖4-4所示，圖4-4 校正后系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性Figure 4-4 frequency characteristics after control system synthesis將校正函數(shù)

7、變換到z域，Gc(z) =（49）系統(tǒng)對指令角速度的階躍響應和斜坡響應如圖4-5所示，在仿真中考慮了執(zhí)行器飽和對系統(tǒng)的影響。圖4-5 校正后系統(tǒng)對角速度信號()的階躍響應Figure 4-5 step response to angle velocity input after control system synthesis2. 外環(huán)軸干擾力矩的影響1） 干擾力矩的作用形式干擾力矩是影響平臺穩(wěn)定精度的主要因素。在外環(huán)，干擾力矩的主要形式是基座和外框架軸之間的摩擦耦合。其作用規(guī)律與基座的搖擺角速度有關(guān)。設(shè)基座的搖擺規(guī)律為（410）為了定量的分析摩擦力矩對系統(tǒng)的影響，忽略動靜摩擦的差異，不考慮摩

8、擦力矩的Stribeck效應，將摩擦力矩建模為= Mim sign(t) (t+)（411）其Fourier展開級數(shù)為（412）上式表明，摩擦力矩的頻譜取決于基座搖擺角速度的頻譜。因此，分析載體的振動頻譜對于確定系統(tǒng)穩(wěn)定回路的低頻帶寬有重要的指導意義。2） 系統(tǒng)對常值干擾力矩的響應校正后系統(tǒng)以角速度為輸出的開環(huán)傳函可表示為：Gco(w) =G1(w) （413）設(shè)常值干擾力矩為=M/w （414）設(shè)干擾力矩幅值為M=1N.m，由圖4-2可得(w)= G(w)M(w)= M(w) （415）G(w)M(w)=M(w) （416）根據(jù)終值定理，（）=0 （417）（）=M=0.0010rad =

9、0.06deg （418）3） 系統(tǒng)對周期性干擾力矩的響應設(shè)干擾力矩為 =M sgn(vt) （419）由頻率響應的基本概念，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的輸出應為(t)M sinvt + phase(G(jv) （420）(t)M sinvt + phase(G(jv) （421）忽略高頻小參數(shù)，只考慮系統(tǒng)的第一個轉(zhuǎn)折頻率，可得(t) =M sinvt + phase(G(jv)（422）(t)M sinvt + phase(G(jv)（423）由以上分析可以得出l 系統(tǒng)的剛度與開環(huán)增益和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量成正比。l 系統(tǒng)在常值干擾力矩下，穩(wěn)態(tài)時有一個微小的轉(zhuǎn)角。l 在干擾力矩作用下，系統(tǒng)無長期角速度漂移。當平臺

10、的基座振動角速度分別為0.2Hz，1Hz，10Hz時，假定摩擦力矩最大為1N.m，則輸出角速度曲線如圖4-6 4-8所示，輸出角度曲線如圖4-9 4-11所示：圖4-6 0.2Hz時的輸出角速度Figure 4-6 angle velocity output when 0.2Hz圖4-7 1Hz時的輸出角速度 Figure 4-7 angle velocity output when 1Hz圖4-8 10Hz時的輸出角速度 Figure 4-8 angle velocity output when 10Hz 圖4-9 0.2Hz時的輸出角度Figure 4-9 angle output whe

11、n 0.2Hz圖4-10 1Hz時的輸出角度 Figure 4-10 angle output when 1Hz 圖4-11 10Hz時的輸出角度Figure 4-11 angle output when 10Hz 從仿真結(jié)果可以看到，利用基本型控制系統(tǒng)，平臺在不同基座搖擺角速度作用下的性能非常接近，這說明，將穩(wěn)定回路設(shè)計為基本型伺服系統(tǒng)，對基座的摩擦力矩干擾頻率的變化抑制有很好的適應性。3. 陀螺儀噪聲對平臺系統(tǒng)的影響設(shè)線性系統(tǒng)的輸入隨機信號為(t)，輸出為y(t)，從(s)到y(tǒng)(s)的閉環(huán)傳函為C(s)，則系統(tǒng)的輸出譜密度和輸入譜密度的關(guān)系由下式給出19：y(v)(v)（424）輸出均方誤

12、差為（425）陀螺儀輸出的噪聲可以近似等效為一個白噪聲，其統(tǒng)計特性表示為： R()2()（426）譜密度為(v)2（427）在白噪聲作用下，系統(tǒng)的性能采用等效噪聲帶寬來表征?？紤]系統(tǒng)的輸出角速度低頻模型，Gco(w) （428）其閉環(huán)傳函為C(w)（429）所以白噪聲作用下輸出角速度均方誤差為： 22（430）其等效角速率噪聲帶寬為：b （431）當w1很小或很大時，系統(tǒng)的噪聲都很大，若w1 （432）此時等效噪聲帶寬最小，為b （433）設(shè)計中，陀螺儀輸出噪聲方差為25.9108 (rad/s)2（434）設(shè)計的第一個轉(zhuǎn)折頻率為w110rad/s，開環(huán)增益為 Kc200，3025.53811

13、08 (rad/s)2（435）0.0024rad/s0.135deg/s = 485.4deg/h（436）現(xiàn)在分析噪聲對軸角度輸出的影響。類似的，從(s)到位置角度的傳函為H(w)（437）輸出角度均方誤差為（其中BW為光纖陀螺帶寬）（438）我們對系統(tǒng)噪聲影響做了仿真，其結(jié)果如圖4-12所示。圖4-12 FOG噪聲輸入時的角度輸出響應曲線（3600秒）Figure 4-12 FOG output angle response with noise input可以看到，仿真與計算結(jié)果是一致的。綜合以上計算分析和仿真，可以得出如下結(jié)論：l 陀螺儀的噪聲影響平臺的短期精度和長期漂移指標。l 在

14、短的時間內(nèi)，陀螺儀噪聲將引起平臺輸出軸的顫振。l 在長時間內(nèi)，陀螺噪聲將使輸出軸的角度振蕩發(fā)散。4.2.2內(nèi)環(huán)穩(wěn)定回路控制器設(shè)計內(nèi)環(huán)PID控制器設(shè)計與外環(huán)相比，存在以下特有問題：1. 質(zhì)量不平衡偏心干擾力矩平臺質(zhì)量不平衡引起的偏心力矩對系統(tǒng)也有一定的影響，設(shè)平臺內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量為m，質(zhì)心偏離支承的距離為r，m則當基座的搖擺角速度如式（4-10）所示，則表達式可：Md= mgrmr2 （439）可以看到，偏心力矩分為兩部分，一部分為常值干擾力矩，另一部分為周期干擾力矩，它們在內(nèi)環(huán)軸輸出產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角如式（4-18）和（4-21）所示。2. 轉(zhuǎn)動慣量的變動由表2-1可以看到，由于負載的變化，引起了外

15、環(huán)和內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動慣量的 改變，外環(huán)轉(zhuǎn)動慣量的波動是相當小的，為1/6，對于這么小的變動，利用PID方法設(shè)計后的系統(tǒng)對該變化有足夠的適應性。而內(nèi)環(huán)則變化幅度為47，所以設(shè)計后的系統(tǒng)應該檢驗系統(tǒng)增益在該范圍變化后的性能。若不行，就不能采用單獨的PID設(shè)計。以下采用仿真的方法校驗了系統(tǒng)的性能。3. PID控制器檢驗類似的可設(shè)計內(nèi)環(huán)PID控制器為Gci(w) = （440）其中 Kci162，w1=10rad/s （441）變換到z域后為Gci(z) = （442）當轉(zhuǎn)動慣量分別為1.6kg.m2和0.851kg.m2時的干擾響應和指令角速度響應如圖4-134-16所示（設(shè)基座搖擺角速度為0.2Hz，摩擦

16、干擾力矩最大為0.4N.m）。圖4-13 0.2Hz時的干擾力矩作用下的輸出角度響應（慣量為1.6kg.m2）Figure 4-13 output angle response to input friction disturbance when0.2Hz (with moment of inertia 1.6kg.m2)圖4-14 指令角速度的階躍響應(r=20deg/s) （慣量為1.6kg.m2）Figure 4-14 step response to input command angle velocity (with moment of inertia being 1.6kg.m2)

17、圖4-15 0.2Hz時的干擾力矩輸出角度響應（慣量為0.851kg.m2）Figure 4-15 output angle response to input friction disturbance when0.2Hz (with moment of inertia being 0.851kg.m2)圖4-16 指令角速度的階躍響應(r=20deg/s) （慣量為0.851kg.m2）Figure 4-13 step response to input command angle velocity(with moment of inertia 0.851kg.m2)由上面可以看到，增益變化

18、后系統(tǒng)性能并沒有太大的變化，這也可以從bode圖上可以看出：采用典型型系統(tǒng)設(shè)計時，系統(tǒng)的相頻特性在剪切頻率附近變化緩慢，故當增益在較大范圍內(nèi)上升時，系統(tǒng)的相位裕度變化不大，因而轉(zhuǎn)動慣量變化對系統(tǒng)性能的影響不大。4.2.3 A/D量化噪聲的影響FOG的輸出角速度經(jīng)過A/D量化后編程數(shù)字量，由于有限字長將導致量化誤差。設(shè)q為量化階，即LSB，其數(shù)值為：q0.00305。量化誤差因量化方法的不同而互異。該誤差可等效的作為FOG的輸出噪聲在系統(tǒng)回路中放大，從而出現(xiàn)在輸出端。由數(shù)字控制理論得知：截尾量化噪聲的統(tǒng)計特性為 均值：0.0015 （443）方差：2.361010 (rad/s)2 （444）舍

19、入量化噪聲的統(tǒng)計特性為均值：0 （445）方差：2.361010 (rad/s)2 （446）可以看到，它比FOG本體產(chǎn)生的噪聲小兩個數(shù)量級，在設(shè)計中可以忽略。4.3軟件設(shè)計設(shè)計中軟件采用Borland C+語言實現(xiàn)2021。對于一個高精度的機電系統(tǒng)，如何在確保設(shè)備的安全性的前提下順利調(diào)試是一個相當重要的問題。因此，除了在硬件上做一些必要的安全處理措施之外，還在軟件規(guī)劃中做了一些必要的故障診斷和處理。1 軟件所需實現(xiàn)的主要任務(wù)1） 系統(tǒng)自檢和故障診斷和處理FOGSS是一個精密的機電設(shè)備，為了使系統(tǒng)維護方便，除了硬件上做一些措施外，在軟件里做了一些必要的容錯處理。這些包括：l 運動控制卡、FOG

20、、電機驅(qū)動器的自檢。在啟動系統(tǒng)時，必須檢測元器件是否正常工作，否則有可能因元器件故障而使系統(tǒng)受損。l 系統(tǒng)故障報警和處理。當有故障發(fā)生時，軟件能檢測出該故障，并診斷其故障類型，從而做出必要的處理。主要的故障有：a) 電機過速b) 電機過載c) 云臺撞到限位開關(guān)d) 驅(qū)動器工作不正常l 事故急停處理：當一旦有事故發(fā)生時，系統(tǒng)應該立即關(guān)閉，力求將事故對系統(tǒng)的破壞降低到最低程度。2） 光纖陀螺儀角速率采集程序通過串口中斷處理程序，實時采集和組合FOG的數(shù)據(jù)。3） 自動校零為了使系統(tǒng)在基座伺服回路工作時有一個合適的參考基準，并為兩個框架解耦，系統(tǒng)工作時應該自動校零，找到機械原點(Home)，以此作為系統(tǒng)工作的參照點。4） 基座電鎖定控制正常工作情況下，由于穩(wěn)定回路工作時系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度較低，為了避免環(huán)架在載體大機動時受損，系統(tǒng)處于基座電鎖定狀態(tài)，此時陀螺儀不起作用，電機伺服回路由光電編碼器來閉環(huán)。5） 陀螺儀溫度漂移補償利用測試和實驗得來的模型，降低溫度對FOG的漂移的影響。6） 平臺穩(wěn)定當需要穩(wěn)定時，通過指令將環(huán)架切換到穩(wěn)定狀態(tài)，使環(huán)架的運動與基座的角運動隔離。2. 軟件流程軟