内容发布更新时间 : 2024/7/1 8:09:31星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

新的循环阻尼寻北控制方法

1.问题的提出

摆式寻北仪的循环阻尼自动寻北方法取自60年代的美国专利及美国lear siegle公司研制的ALINE寻北仪。1982年曾经赴美考察,美方同意技术转让但是由于其他原因未能实现,随后航天十五所根据掌握的资料研制成功。

ALINE寻北仪中使用了一个小型伺服电机，通过一个百万倍的减速器（主方位基准MARCS是如此）驱动方位转台完成对陀螺房摆动的跟踪。与伺服电机同轴的测速发电机的输出作为陀螺房力矩器的速度阻尼信号当陀螺房的摆动施加阻尼。自行研制的寻北仪中的减速器结构复杂、成本高、体积大并且存在空回。 (请参看本人发表的“关于摆式陀螺寻北仪循环阻尼寻北”一文)

现在要问，发明人为什么非要这样设计不可？如果是当时技术条件所限，那么以现在的眼光,是否可以另行思路呢?

2.关于使用大传动比减速器的目的

本人认为，发明人之所以不惜如此代价在一个小型机构中设计一个百万倍的减速器驱动方位转台是由于其特殊的寻北测量原理和当时技术水平限制形成的结果。具体说就是： 1)所述测量和控制系统属于：一个具有特大（等效）转动惯量的被控对象-陀螺摆,与一个特小加矩能力的陀螺房力矩器组合成的控制系统。

2）在寻北过程中转台转速可能极低 (例如0.001°/h)，要求在此条件下也能得到足够大的摆动测速信号以便完成陀螺摆的速度阻尼控制。 3）为了在转台极低速条件下也能实现平稳跟踪。

根据其寻北原理，在H轴接近北向时其方位转动速度极低（估计在0.01°∽0.001°/h）要求在如此低速的条件下也还能供相应的速度阻尼信号,通常(当时)，最简单的转速测量方法就是采用直流测速电机。由于测速电机存在测速死区因此当采用测速电机获得转速信号时，测速电机必须工作在5∽10转/秒以上，方可输出可信的测速信号。为此必须将陀螺房的方位转动速度放大数十万至百万倍才能满足要求。采用简单的电子放大器放大测速电机的输出信号是不可取的。实际上，测速电机在极低转速的条件下不可能输出线性、平滑并且具有足够高信噪比的测速信号，唯一的办法是通过机械放大完成。近百万倍的减速器就是一个高线性、高信噪比的机械“放大器”。当然，考虑到传动空回、干摩擦以及齿轮变形等因素的影响其线性度和信噪比也并非理想。在ALINE和MARCS寻北仪的循环阻尼控制中，实际上只用来完成“粗寻北”，其精寻北是在几步循环阻尼的粗寻北完成后通过积分（平滑）测速电机的测速信号完成。

由于使用大速比传动,有利于转台的极低速平稳跟踪,但是最大方位跟踪速度和最大阻尼信号将受到伺服电机最高转速的限制，存在饱和。

3.电子度盘代替测速电机 现代电子度盘，例如廉价的小型电子经纬仪，特别是使用具有电子细分功能的电子度盘,可以按1″甚至0.1″的分辨率完成快速数字输出，那么是否可通过(微分)处理此信号获得转台的转速信号?

如果电子经纬仪度盘最小读数分辨率为1″则在0.001°/h的低速条件下可输出3.6脉冲/秒。可以再加入电子细分完全可以实现无需减速器、结构简单、无空回和无变形影响、的高线性度、高灵敏度、髙信噪比的测速。此时电子度盘的转角输出经过数字微分获得数字转速信号，再经过DA变换为模拟测速信号，代替测速电机。

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3.2.度盘最大和最小读出速度的估算

初步估计，测速范围可在0.001°/h∽2°/s 3.2.1.度盘最大读出速度

最大读出速度取决于最大跟踪速度，与陀螺房无阻尼摆动周期和摆动幅度有关。摆动周期是固有的这里只按小幅度摆动周期近似计算，假设无阻尼摆动周期为120s。最大摆幅等于粗寻北角（也即最大摆幅）假设为45°则

?N?45?sin??2??t? ?120s?3.2.2.最小读出速度的估算

等于一个正弦摆动运动，其最小跟踪速度为零因此这里最小跟踪速度只能按希望最小读出速度的分辨率给出。这里假设为0.01°/h。

根据电子度盘的角度输出获得角速度信号：

假设两个相邻角度读出脉冲之间以时钟填充，后者脉冲间隔时间为?t，度盘最小读出角度为??，连续两次读出之间的填充脉冲数为N，则转台角速度为

???? N?t是否可?1。

?t的选择应该保证在方位轴最大转速时连续两次读出之间的填充脉冲NP以认为：与测速电机相反，这一测速方法更适合低转速的转速测量?当然，在极低速条件下,

只能给出两个最小相邻读数之间的平均速率,转速的快速变化无法给出。实际上由于转台存在转动惯量，转速的快速变化分量可以忽略并且在控制和测量过程中意义不大。

数字信号微分过程容易引入高频噪声，因此应该考虑加入滤波来抑制高频噪声。如果上述方法可行,则可以认为可以使用简单而高精度的软件代替复杂昂贵的硬件结构。 电子度盘的输出是转台方位转角因此最后的精寻北只需将数字输出值取平均值。

4.低速转台的直接驱动和低速控制

有了电子度盘的数字输出微分信号代替测速电机的输出完成速度阻尼控制,剩下来的问题就是如何实现无减速器的转台低速直接驱动了。

为了达到低速平稳而无减速器的转台控制可使用力矩电机，同样工作在闭环伺服状态下。陀螺稳定平台的工作就是如此。为了提高低速运行的平稳性可压缩伺服回路的带宽和加入力矩电机的电流反馈。

陀螺房的跟踪控制可能有如下4种状态： a） 转台跟踪陀螺房的摆动

此时陀螺房的摆动运动是主动运动而转台是从动运动。此时转台测速信号用于自身闭环速度反馈校正。 b） 陀螺房跟踪转台

相当于惯性捷联工作状态，例如陀螺房的等速方位驱动工作状态。此时转台运动是主动运动,而陀螺房方位摆动是从动运动。转台测速信号可作为前馈信号正向施加在陀螺房力矩器构成陀螺房高精度复合跟踪控制。 c） 陀螺房摆动零位的收敛控制

在转台转速为0的状态下将陀螺房在摆动零位附近的摆动快速衰减到零。实际上是上述陀螺房跟踪转台的一种特殊工作状态。此时转台无测速信号输出，陀螺房摆动阻尼信号只能取自摆动信号的串联微分回路。

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陀螺稳定平台设计和试验表明，在尽可能压缩闭环带宽(或再加入电流反馈)进行校正时力矩电机可以工作得非常平稳,转台方位抖动量可在1″∽2″之内，目前采用减速器的转台低速平稳性难以做到。

应该强调的是,这里所使用的控制系统属于低速高精度系统,对于其响应速度无过高要求,其闭环带宽可以做得很窄因此其跟踪平稳性更容易保证。

由于多种因素的影响,实际上很难实现理论上的一步寻北,通常需要几步循环阻尼过程才能满足某个寻北精度范围的寻北。

5.无减速器的精寻北

上述方法可行将大大简化循环阻尼寻北仪的结构、提高寻北精度而缩短寻北时间。如果引用美国ALINE寻北仪使用的积分测速信号完成精寻北则更加简单方便。

在几次循环阻尼完成之后，陀螺H轴已经接近北向，此时使系统进入转台跟踪陀螺房的状态，以极低的爬行速度逼近北。由于存在各种干扰，这个逼近过程通常不是理想的单方向逼近的而是在北向的左右跳动式逼近。

假设电子经纬仪的读出角为?i,两次相邻读出值取差后累加T秒钟,累加值SF小于等于给定值?则认为精寻北完成。

SF????i?1??i???

0T上述过程完全由简单的软件完成，不增加任何硬件。

6．关于力矩电机失控的保护

与减速器跟踪系统相比，力矩电机直接驱动其最大控制速度远远超过减速器跟踪系统。直接驱动系统带来的问题是，一旦失控将造成转台冲击损害,因此必须考虑有效的保护措施。

由于此控制过程中不追求快速反应,力矩电机主要用于克服转台的阻转矩而不是为了克服转台的巨大惯性转矩,估计选用0.1Nm的小型力矩电机就可以了。因此从这一点说系统失控的安全性又是容易保证的。

设置陀螺房摆动的双向限位保护开关是措施之一,保护开关应该具有自保功能,在没有复位控制时不得再次启动。

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