負載擾動下的氣球吊籃的方位穩(wěn)定控制策略

于 偉，馬佳光，李志俊，肖 靖

(1．中國科學院光電技術(shù)研究所，四川成都610209;2．中國科學院光束控制重點實驗室，四川成都610209;3．中國科學院研究生院，北京100039;4．徐州空軍學院，江蘇徐州221000)

0引 言

高空氣球吊籃在天文觀測、氣象、遙感、高能物理等科學領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。工作過程中，氣球吊籃通常吊掛在載體下方10～100 m處，繞水平軸的擺動由于有重力矩作為自穩(wěn)定力矩而幅度非常小［1］。中科院北京天文臺的高空氣球?qū)嶒炛邪l(fā)現(xiàn)繞方位軸的隨機轉(zhuǎn)動是影響吊籃姿態(tài)穩(wěn)定的主要原因［2］，所以方位控制對吊籃姿態(tài)的穩(wěn)定有重要的意義。

國內(nèi)對于高空氣球吊籃的方位控制的研究已經(jīng)取得一定進展。中國科學院紫金山天文臺王楠森等人提出了用于大氣層外射線研究的高空氣球吊籃方向控制系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)和功能構(gòu)架，觀測儀器固定在俯仰軸上，吊籃帶有反捻機構(gòu)和反作用飛輪用于方位控制［3］。王楠森等人還提出了基于高空氣球吊籃方位控制的方法，利用磁敏感器件檢測方位角位置信息，利用力矩電機和反作用飛輪作為執(zhí)行機構(gòu)控制氣球吊籃方位［4］。林寶軍等人中提出了利用高空氣球吊籃的方位角信息和反作用飛輪轉(zhuǎn)速信息構(gòu)建狀態(tài)觀測器，從而控制高空球載氣球吊籃方位角的方法［5］。何琳琳等人對采用反作用飛輪和反捻機構(gòu)的實現(xiàn)吊籃方位控制進行了研究，設(shè)計了一種速率控制模式下的反作用飛輪控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作在方位角位置環(huán)內(nèi)部，提高了執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動能力［6-9］。

國外的氣球吊籃研究多已進入實用領(lǐng)域。澳大利亞在20世紀90年代初放飛的用于收集太空射線的高空氣球，搭載設(shè)備的吊籃可以自動回復參考位置，指向精度 ±1'［10］。1993 ～1995 年由美國空軍菲力浦實驗室開展的高空氣球?qū)嶒?HABE)，其吊籃搭載的光學跟蹤設(shè)備上使用了地磁儀和陀螺測量方位角位置和角速度，但兩者的控制對象是吊籃上作為負載的萬向架，而不是吊籃本身［11］。意大利科學家2005年研制的高空氣球吊籃，接受GPS的方位信號，通過驅(qū)動反作用飛輪，完成對吊籃的方位控制［12］。

以上的氣球吊籃均采用地磁信息或衛(wèi)星定位信息進行方位角檢測，而地磁信息敏感系統(tǒng)和衛(wèi)星定位信息的采樣頻率都比較低，分別為幾十赫茲和1赫茲左右，因而其對擾動的抑制帶寬都比較低。上述吊籃系統(tǒng)的負載都相對吊籃保持靜止或具有較低的方位機動性，因而采用單一的方位角位置閉環(huán)就可以滿足設(shè)計需要。而針對具有較高方位機動性和較大轉(zhuǎn)動慣量的負載，負載轉(zhuǎn)動相當于給氣球吊籃一個較強的擾動，此時僅僅采用低采樣率的單閉環(huán)控制無法保證吊籃方位穩(wěn)定。

利用高采樣率的角速率陀螺輸出信號作為反饋，在角位置控制環(huán)內(nèi)部增加高帶寬的角速度控制環(huán)是光電、火炮的自動跟蹤系統(tǒng)中常用的提高系統(tǒng)快速性和抗擾動能力的技術(shù)手段［13］。本文將這一技術(shù)手段引入到高空氣球吊籃的方位控制系統(tǒng)中，增加了系統(tǒng)在強擾動下的方位穩(wěn)定能力。

1氣球吊籃的多閉環(huán)控制抗擾能力分析

某型高空氣球吊籃機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，吊籃和纜繩間有反捻機構(gòu)，吊籃下方安裝有負載，吊籃內(nèi)部有采用永磁直流力矩電動機驅(qū)動的反作用飛輪作為方位控制執(zhí)行機構(gòu)。

常規(guī)的基于角位置反饋信息和PID算法的單閉環(huán)方位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 帶有負載的某型氣球吊籃結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 氣球吊籃單閉環(huán)方位控制結(jié)構(gòu)

設(shè)執(zhí)行機構(gòu)傳遞函數(shù)GM(s)、吊籃從控制力矩輸入到角速度輸出的傳遞函數(shù)為Go(s)、位置環(huán)控制器GPc(s)，此時擾動力矩Md到方位角速度的傳遞函數(shù):

圖3 氣球吊籃的多閉環(huán)方位控制結(jié)構(gòu)

在吊籃上安裝角速率陀螺，測量吊籃的方位角速度，以之作為反饋信號構(gòu)建高帶寬的角速度環(huán)，就可以使吊籃的方位控制系統(tǒng)形成角位置加角速度雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示。設(shè)角速度環(huán)控制器Gvc(s)，則增加了位置環(huán)后的擾動傳遞函數(shù):

只要在設(shè)計中滿足‖Gvc(s)‖＞1，即可保證:

即采用角位置+角速度雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)具有更高的擾動抑制比，隨著擾動力矩頻率的提高，雙閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢更加明顯。此時驅(qū)動裝置中如果再有飛輪速率控制環(huán)、電流環(huán)等執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)環(huán)，那么整個系統(tǒng)就構(gòu)成了多閉環(huán)控制系統(tǒng)，抗擾性會進一步提高。

另一方面，從反饋信息的數(shù)據(jù)更新頻率考慮，角位置環(huán)采用的傳感器采樣頻率較低，一般為幾赫茲到幾十赫茲，因而其環(huán)路帶寬有限;而角速率陀螺輸出的角速度信號采樣率較高，一般為幾百到幾千赫茲，在執(zhí)行機構(gòu)的性能允許的范圍之內(nèi)可以做出很高的帶寬。

2吊籃方位控制的跟蹤和抗擾動實驗

針對圖1的氣球吊籃，采用地磁測量傳感器HMR2300作為方位角位置測量器件。在吊籃上安裝角速率陀螺CS-ARS-12測量吊籃方位角速度。將氣球吊籃吊掛在支架上進行地面實驗，主要測試吊籃對階躍信號的跟蹤性能和強擾動下的方位穩(wěn)定控制能力。

由于飛輪和電機傳動軸間存在齒隙特性，傳動軸和飛輪轉(zhuǎn)速差較大時會發(fā)生沖擊，有可能損壞傳動軸。另外飛輪的驅(qū)動還存在死區(qū)，驅(qū)動力矩在死區(qū)范圍內(nèi)時不能驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)動。為了克服這兩個特性帶來的不利影響，控制輸出的理論計算值和實際輸出值，采用如圖4所示的邏輯關(guān)系，在齒隙特性起作用的區(qū)間內(nèi)實際值與理論值一致，只驅(qū)動傳動軸使之與飛輪貼近，避免沖擊。齒隙特性作用區(qū)間外，實際輸出值比理論計算值增加一個固定值，抵消死區(qū)特性。

圖4 力矩控制邏輯關(guān)系

2．1控制器的設(shè)計

利用頻響儀，測量從控制器輸入電壓到陀螺反饋信號的系統(tǒng)開環(huán)速度響應(yīng)頻率特性。經(jīng)擬合得到下面的傳遞函數(shù):

在頻率特性測量過程中發(fā)現(xiàn)，控制輸入超過3 Hz時，電機轉(zhuǎn)軸和齒輪之間會發(fā)生嚴重的碰撞沖擊，影響系統(tǒng)安全。出于安全考慮，保守起見，將角速度環(huán)期望帶寬選在2 Hz左右。設(shè)計基于PI算法的角速度環(huán)控制器Gvc，得到:

以500 Hz的采樣頻率實現(xiàn)角速度環(huán)控制器?？刂破鬏斎霝榻o定角速度與實測角速度信號的差值。疊加控制器后，角速度控制環(huán)開環(huán)響應(yīng)截止頻率 2．01 Hz、相位裕度 64°。

根據(jù)閉環(huán)后系統(tǒng)角位置頻率響應(yīng)特性設(shè)計角位置環(huán)控制器GPc:

由于角位置測量環(huán)節(jié)的輸入信號數(shù)據(jù)更新速率只有20 Hz，所以該控制器只能以20 Hz的頻率進行工作。新的角位置控制器根據(jù)式(6)的算法實現(xiàn)。新舊兩種控制策略的頻率特性變化如圖5所示。原系統(tǒng)角位置環(huán)控制器采用臨界比例度法試湊參數(shù)得到。方位控制系統(tǒng)頻率響應(yīng)開環(huán)剪切頻率0．574 Hz、相位裕度34．6°，雙閉環(huán)方位控制系統(tǒng)后角位置頻率響應(yīng)開環(huán)剪切頻率0．423 Hz、相位裕度72．2°。系統(tǒng)角位置開環(huán)頻率響應(yīng)特性帶寬與原系統(tǒng)類似，但穩(wěn)定裕度提高，低頻增益提高，對于低頻信號的跟蹤精度提高。由于角速度環(huán)的帶寬較高，系統(tǒng)抗擾動能力提高。

圖5 疊加雙閉環(huán)控制器前后系統(tǒng)角位置環(huán)頻率特性

2．2階躍響應(yīng)對比實驗

采用單閉環(huán)控制與采用雙閉環(huán)控制時，系統(tǒng)階躍響應(yīng)誤差曲線對比如圖6所示。階躍響應(yīng)上升時間基本不變，超調(diào)由單閉環(huán)時的44%降為雙閉環(huán)時的9%。系統(tǒng)由振蕩衰減變?yōu)闊o振蕩，到達終值的2%以內(nèi)的調(diào)節(jié)時間由超過20 s，變?yōu)榈陀?0 s。

圖6 單閉環(huán)控制與雙閉環(huán)控制階躍響應(yīng)誤差曲線對比

2．3抗負載擾動對比實驗

圖7 擾動作用下單閉環(huán)與雙閉環(huán)方位穩(wěn)定效果對比

3結(jié) 語

高空氣球吊籃在角位置單閉環(huán)控制基礎(chǔ)上，利用高采樣率的陀螺反饋角速度信號搭建角速度環(huán)構(gòu)成多閉環(huán)控制系統(tǒng)后，其對角位置階躍信號的跟蹤能力大大提高，在搭載高方位機動性、大慣量的負載的情況下，可以更好地穩(wěn)定姿態(tài)方位角。

［1］ 于偉，馬佳光，劉興法，等．柔性懸吊平臺光電系統(tǒng)動力學分析［J］．光電工程，2010，37(2):7-15．

［2］ 葉祥明．大型球載望遠鏡高精度姿態(tài)控制及指向技術(shù)研究［D］．中科院博士論文，1997．

［3］ 王楠森，唐和森，宮一中，等．定向姿態(tài)控制吊籃:中國，CN2539985［P］．2003-03-12．

［4］ 王楠森，唐和森，宮一中，等．高空氣球天文觀測吊籃的定向姿態(tài)控制方法:中國，CN1380592［P］．2002-11-20．

［5］ 林寶軍，李惕碚，薛景宣，等．球載平臺控制系統(tǒng)狀態(tài)觀測器設(shè)計［J］．計算機仿真，1999，16(1):52-54．

［6］ 何琳琳，竇滿鋒．高空氣球吊籃方位控制系統(tǒng)的反作用飛輪控制模式［J］．微特電機，2006，34(7):17-19．

［7］ 何琳琳，劉兆瑜，竇滿鋒，等．高空氣球吊籃方位控制的反作用飛輪系統(tǒng)［J］．微特電機，2007，35(8):36-41．

［8］ 何琳琳，竇滿鋒．高空氣球吊籃姿態(tài)控制系統(tǒng)的一種實現(xiàn)［J］．微電機，2006，34(6):77-80．

［9］ 何琳琳，竇滿鋒．，嚴靜妮．高空氣球吊籃的全數(shù)字反捻控制系統(tǒng)［J］．微特電機，2005，33(12):31-33．

［10］ Sood R，Panettieri J，Grey D．Geomagnetic field based orientation systems for balloon-borne astronomy payloads［J］．exploration geophysics，1993，24(2):99-102．

［11］ Schulthess，Lt．M，et al．Attitude control and trajectory for the High Altitude Balloon Experiment［C］//SPIE．1999，2221:590-609．

［12］ Coccoa G．Di，Basilia A，F(xiàn)ranceschinia T，et al．HiPeG:A high performance balloon gondola for fine angular resolution X-ray telescopes［J］．a(chǎn)dvances in space research，2006，37(11):2103-2107．

［13］ 李志俊，包啟亮，毛耀，等，慣性平臺穩(wěn)定回路多閉環(huán)串級控制［J］．光電工程，2010，37(5):19-24．