[发明专利]一种旋转调制惯性导航系统的旋转控制方法

说明书

技术领域

本发明属于旋转调制惯性导航系统领域，尤其涉及一种旋转调制惯性导航系统的旋转控制方法。

背景技术

惯性导航系统是复杂的高精度机电综合系统，由于具有完全自主性的优点而广泛应用于陆海空天领域。惯性敏感元件的误差是惯性导航系统误差的主要决定因素。从工艺上提高惯性敏感元件的精度，技术难度大、周期长。因此，在惯性敏感元件的精度达到一定要求后，通常采用系统技术补偿元件误差，而旋转调制技术就是一种行之有效的方法。该方法将惯性元件或者IMU外面再加上旋转平台和控制机构，利用翻转或者旋转来平均掉惯性元件漂移对导航的影响，从而提高惯导的导航精度。目前有关旋转调制惯导的大部分工作都集中到惯导解算算法、旋转方案的设计、初始对准以及误差标定等领域。这些研究都是以假定理想控制旋转平台为前提的。但是实际上，旋转平台的控制是存在误差的，且这些误差也会对导航精度产生很大的影响。如果控制精度差，不仅不能补偿惯性传感器的误差，还会引入新的误差，影响导航精度。

旋转方案的设计是旋转式惯导领域的研究热点之一，很多旋转方案相继被提出，其中采用最多的是连续正反旋转和多位置转停方案。在工作时，这两类方案要求旋转平台重复地进行换向旋转、迅速停止和快速启动。而旋转平台是一个复杂的伺服机构，不平衡力矩、电机力矩波动、转动惯量变化等因素会给旋转平台在进行上述操作时带来很大的干扰。此外旋转调制技术的工作转速较低，一般在1°/s到50°/s之间。低速情况下的非线性摩擦干扰力矩也会严重影响旋转平台的控制效果。目前工程上的控制方法主要采用PID算法。PID算法简单有效，容易实现，但是容易出现超调，且鲁棒性不高，响应速度偏低，难以满足系统高精度的性能要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种旋转调制惯性导航系统的旋转控制方法，提高了系统的响应速度和控制精度，同时也抑制了滑模变结构控制带来的抖振，从而减小了旋转平台控制效果的不理想给导航精度带来的负面影响。

本发明的旋转调制惯性导航系统的旋转控制方法，该旋转调制惯性导航系统包括：旋转平台、自抗扰控制器和滑模变结构控制器，控制方法包括以下步骤：

步骤1，建立旋转平台的控制模型；

步骤11，根据旋转平台转轴的动力学方程和电机的工作原理得到单轴数据模型

其中k₁/R_a＝k_T，θ为转轴的旋转角度，J为转轴和旋转平台的转动惯量，k_t为旋转平台电机的电磁转矩系数，k_e为旋转平台电机的反电势常数，k_p为旋转平台的功率放大器倍数，R_a为旋转平台电机的电枢回路总电阻，u_r为作用于旋转平台的控制量，M_d为作用于旋转平台的干扰量；

步骤12，令x₁、x₂分别表示θ、则将(1)改写成状态空间方程(2)：

令则将(2)改写为(3)

步骤13，将公式(3)离散化可得公式(4)

其中，k、k+1代表时刻，u_r(k)表示k时刻控制量u_r的取值；T为旋转周期；

步骤2，建立自抗扰控制器的反馈模型，所述自抗扰控制器包括：跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性反馈控制器；

步骤21，根据迭代公式获得跟踪微分器第k+1时刻的跟踪信号v₁(k+1)、微分信号v₂(k+1)，并输出至非线性反馈控制器，其中，跟踪信号、微分信号的初始值为给定值，fhan为最速综合控制函数，其为通用函数，h为积分步长，h₀是滤波因子，r₀是速度因子；r(k)为系统输入位置指令；

步骤22，根据迭代公式(5)获得扩张状态观测器的第k+1时刻的干扰估计输出量z₃(k+1)，并输出至非线性反馈控制器，其中，z₁(k)、z₂(k)、z₃(k)分别为状态量x₁、x₂、的观测估计，初始值为给定值；β₀₁、β₀₂、β₀₃为可调参数，为经验值；