两轴四框架稳定平台动力学建模及耦合分析.pdf

两轴四框架稳定平台动力学建模及耦合分析程鹰 等 两轴四框架稳定平台动力学建模及耦合分析 程鹰 刘岩 王明帅 艾文娟 长春理工大学机电工程学院 吉林长春1 3 0 0 2 1 摘要 现代工业平台常采用两轴四框架的结构形式来增加它的跟踪角度范围 提高控制精度 两轴四框架结构的内框架 与外框架间通过机械连接 外框架的运动耦合到内框架上 影响控制精度 为了控制系统的整体设计 利用坐标变换建立了系 统的运动学方程 根据框架间的旋转关系 利用转移矩阵 建立框架运动学耦合方程 3 并对部分耦合补偿进行了分析 为高精 度稳定平台的稳定控制设计提供理论依据 关键词 两轴四框架 速率稳定 耦合 视轴稳定 中图分类号 T P 2 7 1文献标识码 B D O I 编码 lO 1 4 0 1 6 i c n k i 1 0 0 l一9 2 2 7 2 0 1 6 0 1 1 9 0 A b s t r a c t M o d e min d u s t a l p la t f b H no f t e na d o p t st h es t m c t u r eo ft w oa x isf o u rf h m e w o r kt oin c r e a s eit sr a n g eo ft r a c k in ga n g lea n d im p r o v et h ec o n t I D lp r e c is io n T h ein n e ra n do u t e rg im b a lso ft h et w o a x is a n df b u r f m m e w o r kisc o n n e c t e db ym a c h in e t h a tt h eo u t e r f h m e w o r k sm o v e m e n tc o u p le st ot h ein n e rf r a m e w o r kw illi1 1 f lu e n c et h ea c c u r a c yo fc o n t r o U in g T oc o n t r o lt h eo v e m Ud e s ig no ft h e s y s t e m u s in gt h ec o o r d in a t et r a n s f o 珊a t io ne s t a b lis h e st h ek in e m a t ic se q u a t io no ft h es y s t e m A c c o r d in gt ot h em t a t io no ft h er e la t io n s h ip o ff r a m e w o r k s u s in gt h et r a n s f b rm a t r ixe s t a b lis h e st h ek in e m a t icc o u p lin ge q u a t io n so ft h ef m m e w o r ka n d a n a ly z e ss o m ec o u p lin g c o m p e n s a t io nf o rt h es t a b ilit yc o n t r o Io fh ig hp r e c is io ns t a b iliz e dp la t f o n np m v id in gt h e o r e t ic a lb a s is K e yw o r d s 7 I w o a isa n df o u r f r a m e w o r k R a t es t a b iliz a t io n C o u p lin g L O Ss t a b iliz a t io n O引言 两轴四框架稳定平台是工业上普遍使用的稳定平台 平 台上装载有对地面目标或者对空中目标的探测装置 基于视 轴稳定技术搜索和跟踪地面上的目标或者空中的目标 当载 体的空间方位发生变化时 稳定平台可以起到隔离载体的干 扰运动的作用 从而保证装载在平台上的设备可以一直在理 想的工作条件下运转 近几年来 稳定平台的发展非常快速 尤其是两轴四框架平台在军用和民用方面得到了快速的发 展 以前使用的两轴两框架稳定跟踪平台由于控制精度难以 达到要求 而且跟踪角度范围有限 有时候由于俯仰角度过大 可能造成平台自锁 两轴四框架平台在两轴二框架的基础上 做了较大改进 主要体现在以下几点 当在高仰角状态下工 作时 不会发生平台自锁的情况 可以减小电机的体积和功 率 运动隔离性好 稳定精度高 但是由于内外框架间仍然 是靠机械连接 内外框架间的耦合不能完全消除 从而影响平 台的稳定 本文将从两轴四框架的原理入手 建立系统的运 动学方程 进行耦合分析 提出平台隔离载体扰动的方法 1 系统结构和工作原理 两轴四框架平台由内 外两个框架系统组成 外框架分 为外俯仰框架和外方位框架 内框架分为内俯仰和内方位框 架 8 内方位框架安装于内俯仰框架之上 内俯仰框架安装 于外俯仰框架之上 外俯仰框架安装于外方位框架之上 而外 方位框架通过基座与载机相连 如下图1 所示 A 代表外方 位框架 E 代表外俯仰框架 a 代表内方位框架 e 代表内俯仰 框架 7 1 为了增大稳定工作平台的工作角度和搜索范围 其 内框架系统处于稳定工作状态 1 外框架系统随动与内框架 系统 收稿日期 2 0 1 5 一0 9 1 7 作者简介 程鹰 1 9 8 7 一 男 硕士研究生 主要从事机电控制方面研究 工作 1 9 0 幽I两轴四框架稳定平台不意图 2 系统坐标系建立与运动学分析 两轴四框架平台定义了载体坐标系O x Y z 外方位框 架坐标系0 x Y z 外俯仰框架坐标系0 x Y z 内方位框 架坐标系0 x Y z 内俯仰框架坐标系0 x Y z 五个坐标 系 6 其中外方位框架坐标系由载体坐标系绕0 Y 旋转o 后得到的 夕h 俯仰框架坐标系由外方位框架坐标系绕O x 轴 旋转e 后得到的 内方位框架坐标系由外俯仰框架坐标系绕 0 Y 轴旋转0 后得到的 内俯仰框架坐标系由内方位框架 坐标绕O x 轴旋转0 后得到的 7 1 其旋转关系如图2 至图5 所示 图2 外方位坐标系与载体坐标系关系 根据图2 的坐标关系可以得出平台干扰角速度对外方位 框架的耦合作用为 自动化与仪器仪表 2 0 1 6 年第1 期 总第1 9 5 期 盱嘲 靴 岍卧 注 靴 2 妒嘲 驯引 s 旷褂性i珧甜 4 3 隔离平台的扰动分析 c 广孥 6 一百 o o 盱豳仨j 妒褂睦 竺 旷卧医 魄也H 篡笏麓 j n 旷斟芒毫 h h 两轴四框架稳定平台动力学建模及耦合分析程鹰 等 旷I I 眭 训 兰驴删 4 系统方框图分析与设计 图6 平台内外回路方框图 s I j j 真分顿 在以上基础上采用M a t la b s im u lin k 进行仿真 其中的仿 真参数于表1 所示 表1 仿真参数 1 9 2 假设载体在方位轴和俯仰轴两个方向上做频率为2 H z 的正弦运动 0 2 2 9 s in 4 7 r f 0 系统仿真结果如 7 所爪 出 蛋 财 h 系统控ij 量骑八曲线 图7 通 a t la l 7 llllL llillkf 方j f I 到同7 d f f I 图7 h s js 与s y s l是解耦前后系统的稳定性 很直观的可以看出在采用 解耦控制算法后 系统的抗扰能力改善不少 平台的稳定性能 也提高了一些 6 总结 本文通过对两轴四框架模型的分析 阐述了两轴四框架 平台的工作原理 以及对两轴四框架内外框架的联系进行了 简略的分析 由于外框架结构随动与内框架 我们通过内外框 架转轴坐标旋转关系 利用转移矩阵 推出各个框架的运动学 耦合方程 并详细分析如何隔离平台的干扰角速度 从理论 上分析了两轴四框架的可行性 为接下来的实际设计提供了 一定的理论依据 参考文献 1 H u r a kz R e z a cM I m a g e b a s e dp o in t in ga n dt r a c k in gf o rin e r t ia l s t a b iliz e da ir b o m ec a m e r ap la t f o r m I E E ET r a n sC o n t m IS y s tT e c h n 0 1 2 0 1 2 2 0 5 1 1 4 6 5 9 2 J ia n c h e n gF a n g A na d a p t iv ed e c o u p lin gc o n I r o l f o rt h r e e a x is g y r o s t a b iliz e dp la 怕n llb a s e do nn e u r a ln e t w o r k s M e c h a t r o n ic s2 7 2 0 1 5 3 8 4 6 3 x ia g y a n gz h o u D e c o u p lin gc o n t m l f o rt w o a x is in e r t ia llys t a b iliz e d p la 抽nb a s e do n a n in v e r s e8 y s t e ma n din t e m a lm o d e Ic o n t r 0 1 M e c h a t m n ic s2 4 2 0 1 4 1 2 0 3 一1 2 1 3 4 H uY c a oY D e s 培no fs lid in gm o d ec o n t m lw it hd is t u r b a n c eo b s e 丌e r s f o r in e r t ia l p la t f 0 肿 I n P r o c e e d in g s0 f2 5 1C h in e s ec o n t r o l a n d d e c is io nc o n f e r e n c e 2 0 1 3 p 4 6 5 2 6 5 吕宏宇