專利名稱：一種基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于對撓性較大的天線進(jìn)行伺服控制的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
大型天線的撓性較大，即剛性低、轉(zhuǎn)動慣量大、諧振頻率低、阻尼系數(shù)較小。一般來說，大撓性天線系統(tǒng)閉環(huán)帶寬只能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天線諧振頻率，否則系統(tǒng)將不穩(wěn)定。對于天線伺服系統(tǒng)，控制的目標(biāo)是天線電軸，但在一般的伺服系統(tǒng)中，天線本身的撓性并沒有包括在系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)。在天線轉(zhuǎn)臺之前，伺服系統(tǒng)可以形成電流、速度、位置閉環(huán)； 當(dāng)包括了撓性較大的天線及其支架后，整個系統(tǒng)成了開環(huán)系統(tǒng)，這對系統(tǒng)的控制很不利。對于大撓性天線系統(tǒng)，目前一般采用兩種辦法來減小天線撓性對系統(tǒng)的影響。一種辦法是采用陷波設(shè)計(jì)的方法，將系統(tǒng)前向校正通道的幅頻特性上設(shè)計(jì)出一個凹口，凹口的頻率等于天線的諧振頻率。這種方法需要準(zhǔn)確地知道撓性天線的諧振頻率，需要做很多測試工作，需要昂貴的測試設(shè)備。另一種是采用加減速的控制策略限制系統(tǒng)的輸出信號帶寬，避開天線的撓性諧振頻率。這種方法為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，極大地犧牲了系統(tǒng)的帶寬。這主要是由于這兩種方法沒有對天線撓性所引起的諧振進(jìn)行反饋，系統(tǒng)無法對其進(jìn)行準(zhǔn)確的校正補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對于現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，該基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)用于對撓性天線進(jìn)行控制可盡可能地增大系統(tǒng)的帶寬，提高控制系統(tǒng)的控制性能。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為提供一種基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于包括速率陀螺、天線基座角度測量裝置、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、 天線速度控制器、位置控制器、傳動裝置、撓性支架、天線和天線速度反饋控制器；所述速率陀螺為一用于獲取天線電軸的空間轉(zhuǎn)動速率的二維速率陀螺，速率陀螺固連在天線電軸上，速率陀螺的兩個敏感軸與天線的兩個轉(zhuǎn)軸重合或平行；所述位置控制器、天線速度控制器、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、傳動裝置、撓性支架、天線沿信號傳輸路徑依次連接；所述速率陀螺、天線速度反饋控制器、天線速度控制器、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、傳動裝置、撓性支架和天線構(gòu)成一天線速度反饋回路；所述天線基座角度測量裝置、位置控制器、天線速度控制器、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和傳動裝置構(gòu)成一位置反饋回路；所述電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)為由速度控制器、功率驅(qū)動器和電機(jī)構(gòu)成的一個電流與速度的雙回路閉環(huán)系統(tǒng)。按照本發(fā)明所提供的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述速率陀螺安裝在天線柔性最大的位置處。按照本發(fā)明所提供的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述速率陀螺的帶寬高于天線和撓性支架的帶寬。
按照本發(fā)明所提供的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述天線基座角度測量裝置采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器，用于測量天線轉(zhuǎn)臺的角度信息。按照本發(fā)明所提供的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的輸入為電機(jī)速度指令，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速信號。按照本發(fā)明所提供的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述傳動裝置將電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為天線轉(zhuǎn)臺的角位置輸出。按照本發(fā)明所提供的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述位置控制器采用PID控制方式輸出控制天線轉(zhuǎn)臺角度位置的控制指令。按照本發(fā)明所提供的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述天線速度反饋控制器采用比例控制方式調(diào)整速率陀螺反饋信號的強(qiáng)弱。按照本發(fā)明所提供的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述天線速度控制器采用比例控制或比例積分控制方式生成電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的速度控制指令，天線速度控制器的輸入為位置控制器和天線速度反饋控制器之差。綜上所述，本發(fā)明所提供的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)相比于現(xiàn)有的撓性天線伺服控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、引入速率陀螺來提取撓性天線電軸在運(yùn)動中的速度，改變伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)能夠直接針對天線電軸本身進(jìn)行控制，而不僅僅是對天線安裝基座進(jìn)行控制，從而非常好地解決了撓性天線伺服系統(tǒng)中快速性與平穩(wěn)性的矛盾；
2、該系統(tǒng)不需要知道天線的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試非常方便，具有很強(qiáng)的實(shí)用價值；
3、引入速率陀螺、天線基座角度測量裝置和天線速度反饋控制器對撓性天線電軸進(jìn)行速率感知并控制，使系統(tǒng)成為針對撓性天線電軸的全閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高撓性天線的位置或速度控制性能。


圖1是基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)的原理圖。圖2是基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)的控制模型框圖。圖3是基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)中速率陀螺安裝位置示意圖。圖4為現(xiàn)有的撓性天線伺服控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺處的位置階躍響應(yīng)仿真曲線圖。圖5為現(xiàn)有的撓性天線伺服控制系統(tǒng)的電軸處的位置階躍響應(yīng)仿真曲線圖。圖6為基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺處的位置階躍響應(yīng)仿真曲線圖。圖7為基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)的電軸處的位置階躍響應(yīng)仿真曲線圖。其中，1、速率陀螺；2、天線基座角度測量裝置；3、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)；4、天線速度控制器；5、位置控制器；6、傳動裝置；7、撓性支架；8、天線；9、天線速度反饋控制器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)地描述如圖1所示，該基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)包括速率陀螺1、天線基座角度測量裝置2、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)3、天線速度控制器4、位置控制器5、傳動裝置6、撓性支架7、天線8和天線速度反饋控制器9 ；所述速率陀螺1為一用于獲取天線電軸的空間轉(zhuǎn)動速率的二維速率陀螺，速率陀螺1固連在天線電軸上，速率陀螺1的兩個敏感軸與天線8的兩個轉(zhuǎn)軸重合或平行；所述位置控制器5、天線速度控制器4、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)3、傳動裝置6、撓性支架7、天線8沿信號傳輸路徑依次連接；所述速率陀螺1、天線速度反饋控制器9、天線速度控制器4、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)3、傳動裝置6、撓性支架7和天線8構(gòu)成一天線速度反饋回路；所述天線基座角度測量裝置2、位置控制器5、天線速度控制器4、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)3和傳動裝置 6構(gòu)成一位置反饋回路；所述電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)3為由速度控制器、功率驅(qū)動器和電機(jī)構(gòu)成的一個電流與速度的雙回路閉環(huán)系統(tǒng)。所述速率陀螺1安裝在天線8柔性最大的位置處。所述速率陀螺1的帶寬高于天線8和撓性支架7的帶寬。所述天線基座角度測量裝置2采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器， 用于測量天線轉(zhuǎn)臺的角度信息。所述電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)3的輸入為電機(jī)速度指令，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)3的輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速信號。所述傳動裝置6將電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為天線轉(zhuǎn)臺的角位置輸出。所述位置控制器5采用PID控制方式輸出控制天線轉(zhuǎn)臺角度位置的控制指令。所述天線速度反饋控制器9采用比例控制方式調(diào)整速率陀螺1反饋信號的強(qiáng)弱。所述天線速度控制器4采用比例控制或比例積分控制方式生成電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)3的速度控制指令，天線速度控制器4的輸入為位置控制器5和天線速度反饋控制器9之差。準(zhǔn)確地說，天線伺服系統(tǒng)的控制目標(biāo)不是轉(zhuǎn)臺，而是天線電軸。一般的天線伺服系統(tǒng)最大的不足在于速度或位置傳感器僅對天線安裝基座(轉(zhuǎn)臺)進(jìn)行速度或角位置的感知， 無法對天線電軸本身進(jìn)行速度或位置的反饋，當(dāng)天線撓性較大時，極易引起振蕩。本發(fā)明的方案采用速率陀螺可以克服這一缺點(diǎn)。在一個典型的兩維天線伺服系統(tǒng)中，與一般的天線伺服系統(tǒng)相比，基于速率陀螺的天線伺服系統(tǒng)在天線上安裝了一個兩維的速率陀螺，如圖1 所示。由于需要獲取的是天線電軸的空間轉(zhuǎn)動速率，所以理論上速率陀螺應(yīng)與天線電軸固連，其兩個敏感軸與天線的兩個轉(zhuǎn)軸重合或平行。天線轉(zhuǎn)臺帶動天線轉(zhuǎn)動，由于天線本身剛性差，當(dāng)角加速度變化較大時，會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，使天線電軸與天線轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn)線發(fā)生變化。速率陀螺的作用在于敏感天線電軸在空間的角速率，以便對控制目標(biāo)(天線電軸)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。本系統(tǒng)增加了速率陀螺反饋支路，其余控制結(jié)構(gòu)均不變。因此采用速率陀螺之后，對伺服及傳動系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)沒有改變，只需在天線上安裝一只速率陀螺并將其電纜連接到伺服控制器即可。在數(shù)字控制器中，增加了反饋控制器和天線速度控制器。圖2是當(dāng)該伺服控制系統(tǒng)作為一個位置控制系統(tǒng)時的控制模型框圖。其中，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)3本身組成一個電流與速度的雙回路閉環(huán)系統(tǒng)，其輸入為電機(jī)速度指令，輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速?？梢杂煤喕囊浑A慣性環(huán)節(jié)表示
β· = ^ 。撓性支架7和天線8的特性表征了天線電軸的撓性，可以用二階振蕩環(huán)節(jié)出，可表示為。速率陀螺1的帶寬遠(yuǎn)高于天線及其撓性支架，可以用二階模型表示
權(quán)利要求
1.一種基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于包括速率陀螺(1)、天線基座角度測量裝置(2)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(3)、天線速度控制器(4)、位置控制器(5)、傳動裝置 (6)、撓性支架(7)、天線(8)和天線速度反饋控制器(9);所述速率陀螺(1)為一用于獲取天線電軸的空間轉(zhuǎn)動速率的二維速率陀螺，速率陀螺(1)固連在天線電軸上，速率陀螺(1)的兩個敏感軸與天線(8)的兩個轉(zhuǎn)軸重合或平行；所述位置控制器(5)、天線速度控制器(4)、 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(3)、傳動裝置(6)、撓性支架(7)、天線(8)沿信號傳輸路徑依次連接；所述速率陀螺(1)、天線速度反饋控制器(9)、天線速度控制器(4)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(3)、傳動裝置 (6)、撓性支架(7)和天線(8)構(gòu)成一天線速度反饋回路；所述天線基座角度測量裝置(2)、 位置控制器(5)、天線速度控制器(4)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(3)和傳動裝置(6)構(gòu)成一位置反饋回路；所述電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(3)為由速度控制器、功率驅(qū)動器和電機(jī)構(gòu)成的一個電流與速度的雙回路閉環(huán)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述速率陀螺(1)安裝在天線(8)柔性最大的位置處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于 所述速率陀螺(1)的帶寬高于天線(8)和撓性支架(7)的帶寬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述天線基座角度測量裝置(2)采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器，用于測量天線轉(zhuǎn)臺的角度信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(3)的輸入為電機(jī)速度指令，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(3)的輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述傳動裝置(6)將電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為天線轉(zhuǎn)臺的角位置輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述位置控制器(5)采用PID控制方式輸出控制天線轉(zhuǎn)臺角度位置的控制指令。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述天線速度反饋控制器(9)采用比例控制方式調(diào)整速率陀螺(1)反饋信號的強(qiáng)弱。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、5、7或8所述的基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)，其特征在于所述天線速度控制器(4)采用比例控制或比例積分控制方式生成電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(3)的速度控制指令，天線速度控制器(4 )的輸入為位置控制器(5 )和天線速度反饋控制器(9 )之差。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于速率陀螺的撓性天線伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)引入速率陀螺來提取撓性天線電軸在運(yùn)動中的速度，改變伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)能夠直接針對天線電軸本身進(jìn)行控制，而不僅僅是對天線安裝基座進(jìn)行控制，從而非常好地解決了撓性天線伺服系統(tǒng)中快速性與平穩(wěn)性的矛盾，通過引入速率陀螺、天線基座角度測量裝置和天線速度反饋控制器對撓性天線電軸進(jìn)行速率感知并控制，使系統(tǒng)成為針對撓性天線電軸的全閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高撓性天線的位置或速度控制性能。該系統(tǒng)不需要知道天線的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試非常方便，具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。
文檔編號G05D3/12GK102360231SQ201110162510
公開日2012年2月22日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者謝偉 申請人:成都西科微波通訊有限公司