陀螺测试转台的低速复合控制研究

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陀螺测试转台的低速复合控制研究

作者：欧卫斌 李军生

来源：《现代电子技术》2013年第16期

摘 要： 针对陀螺测试速率转台低速时存在的问题，提出了一种基于摩擦补偿控制和重复控制构成的复合控制新模式，详细分析了复合控制原理和复合控制应用于陀螺测试速率转台控制系统的结构，设计了摩擦补偿控制器、重复控制器和速度控制器，并进行了软件设计。仿真结果表明：复合控制对转台低速运行时的摩擦干扰抑制效果显著，进一步提高了系统低速的跟踪精度，系统具有良好的动态性能和静态性能，实用性强。 关键词： 摩擦补偿控制； 重复控制； 复合控制； 跟踪精度

中图分类号： TN911?34； TM351 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）16?0030?04 0 引 言

陀螺测试速率转台是中低精度陀螺的性能测试和动态模拟的低速测试设备。产品形成过程中结构设计、制造安装等环节的积累效应使系统存在周期性摩擦力矩，并且该力矩对低速段精度影响明显；另外，转台驱动元件永磁直流电机运行时存在波动力矩，该力矩在电机低速段表现更突出，也具有周期特征；同时，测速元件若是编码器，则低速时测量误差会变大。基于以上三点原因，使得该类型转台在设计制造时会因低速跟踪精度显著下降，而使系统整体精度达不到要求。为了进一步提高设备的适用范围和性能，就需要进一步提高转台低速时的跟踪精度，对这些因素加以抑制或消除。针对周期性波动力矩对转台运行的影响，在系统中引入重复控制策略，可达到了很好的效果[1?2]。针对摩擦力矩对转台低速运行的影响，人们一般采取先建立摩擦力模型、再进行补偿的方法；已有摩擦力模型有：库仑摩擦模型，库仑摩擦+粘滞摩擦模型，静摩擦+库仑摩擦+粘滞摩擦模型，Stribeck摩擦模型，Dahl模型，Bristle模型，Bliman and Sorine模型，LuGre模型等[3?4]。其中LuGre模型最能准确地描述机械中的摩擦现象，但由于LuGre模型比较复杂以及模型参数多，使用双观测器才能实现自适应摩擦补偿，致使计算比较复杂，实用化比较困难[5]。通过以上分析，本文提出一种采用重复控制器+摩擦扰动补偿控制的复合控制策略，通过摩擦扰动补偿控制抑制或消除摩擦力矩的影响，同时易于工程实现；通过重复控制器实现对电机波动力矩的抑制或消除，进一步提高转台低速运行的稳定性和跟踪能力。

1 转台摩擦力扰动补偿控制器的设计

针对摩擦力矩对转台低速稳定运行的影响，欲保证转台低速时的跟踪精度，必须进行补偿控制。这里的补偿控制就是根据摩擦力矩对转速的影响大小，及时修正补偿控制量的大小，以抑制或消除摩擦力矩所造成的影响。鉴于基于模型的补偿方法所涉及的参数较多、计算复杂、

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实际应用困难较大等原因，在此，我们通过模拟系统摩擦力矩扰动，然后施加于控制量和摩擦引入处，对摩擦力矩进行抵消，达到补偿控制的目的，以此方式来解决模型补偿所存在的问题。鉴于转台低速时，电流频率较低，电机的感性因素可以忽略，可得直流力矩电机简化的动态结构图如图1所示。图中，f（s）为摩擦扰动信号，n（s）为输出的角速度信号，KPWM为PWM变换器的电压放大倍数，KM为转台电枢回路的传递系数（由转台转矩系数Cm和电机电枢电阻Ra的比值决定），Ce为反电势系数，J为转台的转动惯量，U（s）=KPWMUC（s），G（s）为小闭环等效传递函数，G（s）=[KMKMCe+Js]。 从图1中可以得到：

[f（s）=U（s）-1G（s）ω（s）] （1）

系统引入的摩擦补偿控制量应为-f（s），考虑到实际测量转速时有机械谐波干扰，会使系统震荡不稳定，因而设置了低通滤波器，现暂取滤波时间常数为Ton=0.002 s，则摩擦补偿控制量为：[f（s）=500s+500ω（s）G（s）-U′（s）] （2） [U′（s）=U（s）-f（s）] （3）

由式（5）和式（6）可得到引入摩擦扰动补偿控制器后转台动态结构图如图2所示。 从图2中可以得到：

[n（s）=U（s）-（1-500s+500）f（s）G（s）] （4）

从式（7）中可以得出：摩擦扰动项（1-[500（s]+500））·f（s）很快就会被衰减为零，致使扰动不会对输出产生较大的影响，表明摩擦补偿控制器最终可抑制或消除摩擦干扰对转速的影响。摩擦补偿控制器的电路实现：从式（1）～式（6）可知，[1G]（s）=（Ce+[Js）KM]是比例微分环节，其他为比较环节和滤波环节，可由集成电路实现，也可数字实现，均易实现。 2 重复控制器的设计

为了进一步提高系统的低速跟踪能力和抑制摩擦扰动干扰，特别是对周期性干扰进行控制，为此，对转台采用重复控制策略[1]。重复控制是针对一个周期已知的参考输入的单输入单输出线性系统而提出的的一种学习控制方法，它通过将系统内部的周期信号经过时滞环节，被延迟一个信号周期，再将延迟后的信号通过反馈又作用于下个周期，不断循环，经过几个周期的重复控制之后，抑制周期性干扰直至将跟随误差控制在要求的范围之内，从而大大提高系统的跟踪精度。考虑到重复控制的引入会使系统的稳定性变差，为此，在重复控制环节中加入了低通滤波器，结合转台控制系统的调速和稳速要求，转台控制系统采用复合控制后的系统动态结构图如图3所示。

图3 引入复合控制的转台闭环控制结构框图