[发明专利]一种陀螺稳定座架的非线性滑模变结构控制方法

摘要

本发明属于一种滑模变结构控制方法，特别涉及一种陀螺稳定座架的非线性滑模变结构控制方法；首先建立非线性滑模变结构控制求解SMVSC控制器方程；其次利用SMVSC控制器方程采集速率陀螺、倾角传感器、光电码盘信息，SMVSC输出的控制量经功率放大器进行放大后驱动直流力矩电机，再经减速器减速后输出转矩传送到俯仰、方为或滚动框架上，抵消俯仰、方为或滚动框架上干扰力矩，使俯仰、方为或滚动框架始终保持与水平面平行；对SMVSC控制器方程在MATLAB中进行仿真调试，直到陀螺稳定座架的俯仰通道的稳定精度满足设定要求。本发明利用SMVSC控制器校正各通道的速度回路、位置回路，提高了陀螺稳定座架的稳定控制精度、动态可靠性，抑制了回路的非线性因素的干扰。

主权项

1.一种陀螺稳定座架的非线性滑模变结构控制方法，其特征在于：对三轴陀螺稳定座架的方位通道、俯仰通道和滚动通道进行独立控制；陀螺稳定座架的俯仰通道非线性滑模变结构控制步骤如下：步骤一、选择切换函数，建立非线性滑模变结构控制求解SMVSC控制器方程；首先建立陀螺稳定座架的输出角位置及输出角速度构成的向量的方程：式中：x₁与φ表述含义相同；x₂与表述含义相同；φ是陀螺稳定座架的输出角位置，单位：rad；是陀螺稳定座架输出角速度，单位：rad/s；由公式(1)得到：式中：是x₁的微分；x₂与相同；是x₂的微分；C_m是力矩电机在额定励磁下的转矩系数，单位N·m/A；J是折算到电机轴上的总转动惯量，单位kg·m²；i是减速器的减速比；u是非线性滑模变结构控制器输出量，单位V；M_f是陀螺稳定座架控制系统的外部干扰力矩，单位N·m；是陀螺稳定座架控制系统的干扰角加速度，单位是rad/s²；将公式(2)转化为矩阵表达：式中：是向量的微分；x与φ表述含义相同；u是非线性滑模变结构控制器输出量，单位V；M_f是陀螺稳定座架控制系统的外部干扰力矩，单位N·m；是陀螺稳定座架控制系统的干扰角加速度，单位是rad/s²；将方程(3)离散化：式中：x(k+1)是k+1时刻x的离散值；T是采样周期，单位是s；x(k)是k时刻x的离散值；u(k)是k时刻非线性滑模变结构控制器SMVSC的输出量，单位V；M_f(k)是k时刻陀螺稳定座架控制系统的外部干扰力矩离散值，单位N·m；是k时刻陀螺稳定座架控制系统的干扰角加速度离散值，单位是rad/s²；B(k),B₁(k),B₂(k)分别为B,B₁,B₂的离散化矩阵，选择切换函数s(k)为：式中：C_e＝[c,1]，c是切换函数系数矩阵，取正常数值；是k时刻控制目标角及控制目标角速度构成的向量；是k时刻陀螺稳定座架输出角位置及输出角速度构成的向量；切换函数按照如下趋近律进行运动：式中：是切换函数s的微分；ε与q取正常数值；由公式(3)、公式(5)和公式(6)得到离散滑模变结构控制存在条件：式中：s(k+1)是k+1时刻s的离散值；C_e＝[c,1]，c是切换函数系数矩阵，取正常数值；是k+1时刻控制目标角及控制目标角速度构成的向量；是k+1时刻陀螺稳定座架输出角位置及输出角速度构成的向量；T是采样周期，单位是s；x(k)是k时刻x的离散值；B(k),B₁(k),B₂(k)分别为B,B₁,B₂的离散化矩阵，M_f(k)是k时刻陀螺稳定座架控制系统的外部干扰力矩离散值，单位N·m；是k时刻陀螺稳定座架控制系统的干扰角加速度离散值，单位是rad/s²；u(k)是k时刻非线性滑模变结构控制器SMVSC的输出量，单位V；由公式(7)得到非线性滑模变结构控制求解SMVSC控制器方程为：式中：u(k)是SMVSC控制器的输出量，单位V；C_e＝[c,1]，c是切换函数系数矩阵，取正常数值；B(k),B₁(k),B₂(k)分别为B,B₁,B₂的离散化矩阵，是k+1时刻控制目标角及控制目标角速度构成的向量；是k+1时刻陀螺稳定座架输出角位置及输出角速度构成的向量；T是采样周期，单位是s；x(k)是k时刻x的离散值；M_f(k)是k时刻陀螺稳定座架控制系统的外部干扰力矩离散值，单位N·m；是k时刻陀螺稳定座架控制系统的干扰角加速度离散值，单位是rad/s²；步骤二、利用步骤一中建立的非线性滑模变结构控制求解SMVSC控制器方程(8)实时采集速率陀螺、倾角传感器、光电码盘的信息，SMVSC输出的控制量经功率放大器进行功率放大后驱动直流力矩电机，再经减速器减速后输出的转矩传送到俯仰框架上，抵消俯仰框架上干扰力矩，使俯仰框架始终保持与水平面平行。