一種懸吊漂浮物隨動系統的加速度補償控制方法及基于模式選擇的控制方法
【專利摘要】一種懸吊漂浮物隨動系統的加速度補償控制方法及基于模式選擇的控制方法，屬于懸吊漂浮物隨動系統領域。本發明是為了解決傳統方法針對隨動平臺驅動力設計的控制器無法直接用于電機轉速控制模式的問題。本發明所述的一種懸吊漂浮物隨動系統的加速度補償控制方法，首先建立運動學和動力學方程，確定懸吊漂浮物隨動系統的電機控制模式，設計控制器和調節參數四步解決了傳統方法將驅動力Fx和Fy作為控制項，電機只能采用轉矩模型，性能無法得到充分發揮的問題；降低了對電機本身控制模式的要求，從而更好的發揮電機本身性能，提高了懸吊漂浮物隨動系統的控制性能。本發明適用于懸吊漂浮物隨動系統領域。
【專利說明】一種懸吊漂浮物隨動系統的加速度補償控制方法及基于模 式選擇的控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于懸吊漂浮物隨動系統領域，涉及一種懸吊漂浮物隨動系統的加速度補 償控制方法。
【背景技術】
[0002] 懸吊法地面零重力環境模擬系統在航天員訓練和航天器動力學研宄中均有廣泛 的應用。該系統在豎直方向上懸吊某種能夠主動進行水平移動的目標體，通過恒張力控制 抵消目標體重力，實現零重力模擬。同時在水平方向上利用隨動系統控制懸吊裝置跟隨目 標體移動，并補償懸吊裝置對目標體水平方向運動所產生的影響。隨動系統的控制性能決 定了目標體模擬自身在空間中水平運動的精度，所以隨動控制器的設計在懸吊漂浮物隨動 系統中有著重要的地位。
[0003] 當前對于懸吊法水平隨動系統控制算法的研宄文獻較少，中國科學技術大學于 2006年發表的一篇名稱為《三維重力補償方法與空間浮游目標模擬實驗裝置研宄》的博士 論文，記載了利用轉動臂和移動小車實現目標體的運動，該方法通過測量目標體應該具有 的水平移動速度和路徑，規劃轉動臂和移動小車的路徑，使其牽引目標體按照規劃路徑運 動，該方法嚴格說來并不是閉環控制，而是一種人為引導。同時，電機驅動懸吊隨動系統的 控制算法多將驅動力作為控制項，少有將隨動系統運動速度或加速度作為控制項的。但是 驅動力控制對應的電機轉矩模式精度較差，而速度或加速度控制對應的電機轉速模式精度 較高，這就使得控制算法設計和實際工程應用之間產生了矛盾。
[0004] 哈爾濱工業大學學報于2009年發表的一篇名稱為《懸吊式重力補償系統精密跟 蹤方法》的文章，針對懸吊系統隨動控制問題，利用非線性規劃給出了一種最優控制方法， 該方法直接將隨動系統運動的速度和加速度作為控制量，但是尋優過程復雜，該方法屬于 一種規劃控制方法，不屬于閉環控制，其只能適用于某種固定工況，在隨動目標體改變期望 運動時，該方法需要重新調整參數，使用不靈活，效果欠佳。
【發明內容】
[0005] 本發明是為了解決傳統方法針對懸吊漂浮物隨動系統中的隨動平臺驅動控制器 無法直接用于電機轉速控制模式，以及現有懸吊漂浮物隨動系統沒有閉環的基于速度和加 速度的控制方法的問題，現提供一種懸吊漂浮物隨動系統的加速度補償控制方法及基于模 式選擇的控制方法。
[0006] -種懸吊漂浮物隨動系統的加速度補償控制方法，該方法包括以下步驟：
[0007] 步驟一：設懸吊漂浮物隨動系統中目標體水平面上兩個相互垂直的方向分別為X 和Y，建立懸吊漂浮物隨動系統運動學和動力學方程；
[0008] 步驟二：將％和a ^為與比例系數結合的狀態量，將Θ ^ Θ y作為與微分系 數結合的狀態量，將J aJP J (!^乍為與積分系數結合的狀態量，將么和4作為與加速度 系數結合的狀態量；
[0009] 根據運動學和動力學方程獲得電機在轉速控制模式下基于速度和加速度的控制 器：
【權利要求】
1. 一種懸吊漂浮物隨動系統的加速度補償控制方法，其特征在于，該方法包括以下步 驟： 步驟一：設懸吊漂浮物隨動系統中目標體水平面上兩個相互垂直的方向分別為X和Y， 建立懸吊漂浮物隨動系統運動學和動力學方程； 步驟二：將αJPα ^乍為與比例系數結合的狀態量，將ΘJPΘy作為與微分系數結 合的狀態量，將JaJPJ(^作為與積分系數結合的狀態量，將4和么作為與加速度系數 結合的狀態量； 根據運動學和動力學方程獲得電機在轉速控制模式下基于速度和加速度的控制器：
其中，fPdPC&分別為轉速控制模式下X方向和Y方向的比例控制系數，fDx和fDy分別為轉速控制模式下X方向和Y方向的微分控制系數，C1!￡和1^ Iy分別為轉速 控制模式下X方向和Y方向的積分控制系數，fAx和fAy分別為轉速控制模式下X方向 和Y方向的加速度控制系數，t為目標體X方向移動的速度，i為目標體X方向移動的加速 度，j為目標體Y方向移動的速度，夕為目標體Y方向移動的加速度； 分別調節電機在轉速控制模式下基于速度的控制器中X方向和Y方向的參數，使得系 統能夠得到控制且隨動誤差收斂于零，實現加速度補償控制。
2. 根據權利要求1所述的一種懸吊漂浮物隨動系統的加速度補償控制方法，其特征在 于，步驟一所述的運動學和動力學方程為：
其中，m為目標體的質量，1為吊索長度，X為目標體X方向的位移，*為目標體X方向 移動的速度，i為目標體X方向移動的加速度，y為目標體Y方向的位移，夕為目標體Y方向 移動的速度，夕為目標體Y方向移動的加速度，MxS目標體X方向的平移質量，M目標體 Y方向的平移質量，Cx為X方向直線導軌的平移阻尼系數，CY方向直線導軌的平移阻尼 系數，X方向增廣狀態量，即X方向誤差量，aySY方向增廣狀態量，即Y方向誤差 量，上為目標體X方向上的驅動力，Jy為目標體Y方向上的驅動力，Fx為隨動平臺X方向上 的驅動力，Fy為隨動平臺Y方向上的驅動力，θX方向誤差量的一階導數，ΘY方向 誤差量的一階導數，4為X方向誤差量的二階導數，$為￥方向誤差量的二階導數，色為吊 索擺角X方向上的投影、4為吊索擺角X方向上的投影。
3. 根據權利要求1所述的一種懸吊漂浮物隨動系統的加速度補償控制方法，其特征在 于，步驟二中利用下述方法獲得電機在轉速控制模式下基于速度和加速度的控制器： 首先，將運動學和動力學方程程改寫為咚和關于i和j)的函數形式：
其中，m為目標體的質量，1為吊索長度，i為目標體X方向移動的加速度，f為目標體Y方向移動的加速度，Cx為X方向直線導軌的平移阻尼系數，C3Y方向直線導軌的平移阻 尼系數，MxS目標體X方向的平移質量，M目標體Y方向的平移質量，J,為目標體X方向 上的驅動力，1為目標體Y方向上的驅動力，Fx為隨動平臺X方向上的驅動力，F隨動平 臺Y方向上的驅動力，θχ*X方向誤差量的一階導數，ΘY方向誤差量的一階導數，久 為吊索擺角X方向上的投影，4為吊索擺角X方向上的投影rad/s2,aX方向增廣狀態 量，即X方向誤差量，aY方向增廣狀態量，即Y方向誤差量； 然后，根據上式獲得電機在轉速控制模式下基于速度和加速度的控制器。
4. 根據權利要求1所述的一種懸吊漂浮物隨動系統的加速度補償控制方法，其特征在 于，步驟二中，所述分別調節X方向和Y方向的參數的方法如下： 將K'Dx、K'jPK'Ax置零，調節K'P!^系統輸出產生振蕩；然后逐漸調節K' Dx， 使系統振蕩減弱，誤差有收斂趨勢；再增大K'Ax，消除系統輸出量和狀態量的振蕩；最后調 節K'Ix，使隨動誤差收斂于零； 將K'Dy、K'jPK'Ay置零，調節K' ^使系統輸出產生振蕩；然后逐漸調節K' Dy， 使系統振蕩減弱，誤差有收斂趨勢；再增大K'Ay，消除系統輸出量和狀態量的振蕩；最后調 節K'Iy，使隨動誤差收斂于零。
5. -種懸吊漂浮物隨動系統基于模式選擇的控制方法，其特征在于，該方法包括以下 步驟： 步驟A:設懸吊漂浮物隨動系統中目標體水平面上兩個相互垂直的方向分別為X和Y， 建立懸吊漂浮物隨動系統運動學和動力學方程； 步驟B:確定懸吊漂浮物隨動系統的電機控制模式； 步驟C:將aJPα"乍為與比例系數結合的狀態量，將ΘJPΘy作為與微分系數結合 的狀態量，將JaJPJ(!^乍為與積分系數結合的狀態量，將A和&作為與加速度系數結 合的狀態量； 當懸吊漂浮物隨動系統的電機控制模式為轉矩控制模式時，根據運動學和動力學方程 獲得電機在轉矩控制模式下的基于作用力的控制器：
其中，KjpK 別為轉矩控制模式下X方向和Y方向的比例控制系數，KDx和KD，別 為轉矩控制模式下X方向和Y方向的微分控制系數，Klx和KIy分別為轉矩控制模式下X方 向和Y方向的積分控制系數，Kax和KAy分別為轉矩控制模式下X方向和Y方向的加速度控 制系數，Fx為隨動平臺X方向上的驅動力，Fy為隨動平臺Y方向上的驅動力； 分別調節電機在轉矩控制模式下的基于作用力的控制器中X方向和Y方向的參數，使 得系統能夠得到控制且隨動誤差收斂于零，實現加速度補償控制； 當懸吊漂浮物隨動系統的電機控制模式為轉速控制模式時，根據運動學和動力學方程 獲得電機在轉速控制模式下基于速度和加速度的控制器：
其中，fPdPC&分別為轉速控制模式下X方向和Y方向的比例控制系數，fDx和fDy分別為轉速控制模式下X方向和Y方向的微分控制系數，C1!￡和1^ Iy分別為轉速 控制模式下X方向和Y方向的積分控制系數，fAx和fAy分別為轉速控制模式下X方向 和Y方向的加速度控制系數，X為目標體X方向移動的速度，i為目標體X方向移動的加速 度，j為目標體Y方向移動的速度，·^為目標體Y方向移動的加速度； 分別調節電機在轉速控制模式下基于速度的控制器中X方向和Y方向的參數，使得系 統能夠得到控制且隨動誤差收斂于零，實現加速度補償控制。
6.根據權利要求5所述的一種懸吊漂浮物隨動系統基于模式選擇的控制方法，其特征 在于，步驟A所述的運動學和動力學方程為：
其中，m為目標體的質量，1為吊索長度，X為目標體X方向的位移，±為目標體X方向 移動的速度，i為目標體X方向移動的加速度，y為目標體Y方向的位移，夕為目標體Y方向 移動的速度，$為目標體Y方向移動的加速度，MxS目標體X方向的平移質量，M目標體 Y方向的平移質量，Cx為X方向直線導軌的平移阻尼系數，CY方向直線導軌的平移阻尼 系數，X方向增廣狀態量，即X方向誤差量，aySY方向增廣狀態量，即Y方向誤差 量，上為目標體X方向上的驅動力，Jy為目標體Y方向上的驅動力，Fx為隨動平臺X方向上 的驅動力，Fy為隨動平臺Y方向上的驅動力，θX方向誤差量的一階導數，ΘY方向 誤差量的一階導數，色為X方向誤差量的二階導數，~為￥方向誤差量的二階導數，I為吊 索擺角X方向上的投影、4為吊索擺角X方向上的投影。
7. 根據權利要求5所述的一種懸吊漂浮物隨動系統基于模式選擇的控制方法，其特征 在于，步驟C中利用下述方法獲得電機在轉速控制模式下基于速度和加速度的控制器： 首先，將運動學和動力學方程程改寫為民和4關于和的函數形式：
其中，m為目標體的質量，1為吊索長度，無為目標體X方向移動的加速度，J為目標體Y方向移動的加速度，Cx為X方向直線導軌的平移阻尼系數，C3Y方向直線導軌的平移阻 尼系數，MxS目標體X方向的平移質量，M目標體Y方向的平移質量，J,為目標體X方向 上的驅動力，1為目標體Y方向上的驅動力，Fx為隨動平臺X方向上的驅動力，F隨動平 臺Y方向上的驅動力，θχ*X方向誤差量的一階導數，ΘY方向誤差量的一階導數，R 為吊索擺角X方向上的投影，A為吊索擺角X方向上的投影，α,為X方向增廣狀態量，即X 方向誤差量，aY方向增廣狀態量，即Y方向誤差量； 然后，根據上式獲得電機在轉速控制模式下基于速度和加速度的控制器。
8. 根據權利要求5所述的一種懸吊漂浮物隨動系統基于模式選擇的控制方法，其特征 在于，步驟C中，當懸吊漂浮物隨動系統的電機控制模式為轉矩控制模式時，所述分別調節 X方向和Y方向的參數的方法如下： 將KDx、Klx和Kax置零，調節K!^使系統輸出產生振蕩；然后逐漸調節Kdx，使系統振蕩減 弱，誤差有收斂趨勢；再增大Kax，消除系統輸出量和狀態量的振蕩；最后調節Klx，使隨動誤 差收斂于零； 將KDy、Kly和KAy置零，調節K!^使系統輸出產生振蕩；然后逐漸調節KDy，使系統振蕩減 弱，誤差有收斂趨勢；再增大Kax，消除系統輸出量和狀態量的振蕩；最后調節Klx，使隨動誤 差收斂于零。
9. 根據權利要求5所述的一種懸吊漂浮物隨動系統基于模式選擇的控制方法，其特征 在于，步驟C中，當懸吊漂浮物隨動系統的電機控制模式為轉速控制模式時，所述分別調節 X方向和Y方向的參數的方法如下： 將K'Dx、K'jPK'Ax置零，調節K'P!^系統輸出產生振蕩；然后逐漸調節K' Dx， 使系統振蕩減弱，誤差有收斂趨勢；再增大K'Ax，消除系統輸出量和狀態量的振蕩；最后調 節K'Ix，使隨動誤差收斂于零； 將K'Dy、K'jPK'Ay置零，調節K' ^使系統輸出產生振蕩；然后逐漸調節K' Dy， 使系統振蕩減弱，誤差有收斂趨勢；再增大K'Ay，消除系統輸出量和狀態量的振蕩；最后調 節K'Iy，使隨動誤差收斂于零。
【文檔編號】G05D13/58GK104460722SQ201410482326
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】謝文博, 張健, 許家忠, 高海波, 劉振, 尤波, 黃玲 申請人:哈爾濱理工大學