一种加速力矩受限的转台运动曲线在线规划方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种加速力矩受限的转台运动曲线在线规划方法及系统，方法包括：在速度回路闭环条件下输入对应于不同加速度的等效正弦函数驱动框架转动，采集转台框架的位置信息，得到转台框架的转动惯量；根据最大加速力矩限制值和实测出的框架转动惯量计算出框架运动的最大角加速度值，结合转台观测任务所要求的运动时间，获取框架运动曲线的分段运动时间参数；进一步划分运动曲线全过程，生成对应曲线的实时速度信息和位置信息；将速度及位置信息进行相应量纲转化，采用复合控制方式控制框架的运动，将位置信息作为位置回路的输入，速度信息以前馈的方式加入到速度回路。本发明专利技术在满足加速力矩限制要求同时，改善系统动态性能，提高系统跟踪精度。

【技术实现步骤摘要】
一种加速力矩受限的转台运动曲线在线规划方法及系统
本专利技术属于星载转台伺服控制
，特别涉及一种加速力矩受限的转台运动曲线在线规划方法及系统。
技术介绍
随着卫星平台技术的发展和观测目标的多样化，一维及二维载荷转台的应用越来越广泛，特别是带有稳定成像的二维框架转台。二维框架转台其优势在于，既可以根据指令完成指定位置的定点观测，又可以进行区域范围的摆扫侦测，对侦测到的可疑目标还可以做进一步跟踪，实时获取目标地理位置。在载荷工作过程中，转台的加速力矩受限，如果力矩超过限制值，则会影响到星载平台姿态控制精度，导致载荷的工作精度降低，严重情况下可导致本次工作失败。因此为保证各载荷的工作精度，必须严格控制载荷的加速力矩，满足力矩约束条件，以保证其工作精度指标。星载转台的加速力矩取决于转台活动部件的转动惯量和转台的角加速度，转动惯量为一常数，转台加速力矩的大小就取决于角加速度值。在转台受限的加速力矩已知的情况下，转台工作的最大加速度就可以计算出来。转台在观测任务中会对运动时间提出明确要求，以指定位置扫描为例，要求在一定时间内在指定坐标位置达到设定的速度后开始扫描，在此过程中转台的最大加速度不能超过加速力矩所限制的最大值。传统伺服控制系统所采用的位置回路和速度回路双闭环的控制结构，由于阶跃响应超调过程的存在，很难同时满足转台运动时间性及加速力矩受限的要求。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术的缺陷，提供一种加速力矩受限的转台运动曲线在线规划方法及系统。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：提供一种加速力矩受限的转台运动曲线在线规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、在速度回路闭环条件下输入对应于不同加速度的等效正弦函数驱动框架转动，采集框架的位置信息，由电机的机械运动方程得到转台框架的转动惯量；步骤二、根据最大加速力矩限制值和步骤一实测出的框架转动惯量计算出框架运动的最大角加速度，结合转台观测任务所要求的运动时间，获取运动框架曲线的分段运动时间参数，包括变加速时间参数、匀加速时间参数；步骤三、以步骤二获取的分段运动时间参数进一步划分运动曲线全过程，生成对应曲线的实时速度信息和位置信息；步骤四、将步骤三的速度及位置信息进行相应量纲转化，采用复合控制方式控制框架的运动，将位置信息作为位置回路的输入，速度信息以前馈的方式加入到速度回路。所述步骤一中，在速度回路闭环条件下输入对应于不同加速度的等效正弦函数方程为：公式(1a)中A为正弦函数的幅值，ωr为正弦函数的角频率，vmax为等效正弦函数的最大速度值，amax为等效正弦函数的最大加速度值。电机的机械运动方程如下：公式(2a)中Jm为框架的转动惯量，TL为框架的负载转矩，Jm和TL均为未知参数；TM为电机输出转矩，可由公式TM＝KT·iM计算得到；KT为电机转矩系数；iM为电机电流，可实测电机电流得到，B为阻尼系数，与框架所选择的材料有关，由相关机械设计人员给出相应的具体值；ωm为电机转动角速度，由转台所安装的位置测量部件的位置信息微分得到，或由测速部件直接给出；为电机转动角加速度，可通过角速度ωm微分得到。根据公式(1a)设计二组对应的等效正弦函数作为输入，分别记录对应的转台框架的位置信息，再经由公式(2a)解方程组即可得到框架的转动惯量Jm、框架的负载转矩TL。所述步骤二中，根据最大加速力矩限制值和步骤一实测出的框架转动惯量计算得到框架运动的最大角加速度，公式如下:公式(3a)中，加速力矩TB，框架转动惯量Jm，均为已知项，通过计算可知相应的框架最大角加速度aω值。星载转台具有多种运动模式，例如定点预置，匀速摆扫及指定位置调转等。相比其他两种模式，指定位置调转模式运动需要的加速力矩最大。转台在指定位置调转过程：在指定位置S0处以速度V0结束成像扫描工作，调转，在Td时间后，再在指定位置S0以速度-V0往回摆扫，开启下一次成像扫描工作。在此过程中，转台运动带来的加速力矩不允许超过限定值。为了更准确地阐述本专利技术提出的运动曲线在线规划方法，以框架在指定位置调转为例来进行分析。针对指定位置调转过程，Td为调转过程的时间(一般为固定时间)，t1为变加速时间，t2为匀加速时间，t3为变减速时间，t1和t3时间设为相同，aω为曲线最大加速度值，从起始速度V0到速度为0，再从速度为0减速到-V0，这两个过程占用的调转时间一致。以速度VO到速度为0为对象，加速度变化方程如式(4a)所示，速度变化方程如式(5a)所示。设定t1＝t3，当t＝Td/2时，V3＝0。即V3＝V0-kt1(t2+t3)＝V0-kt1(Td/2-t1)＝0(6a)再根据已知的最大加速度值|aω|＝kt1，可得t1及变加速度系数k。所述步骤三中，以步骤二获得的分段运动时间参数t1，及已知的调转时间Td就可以得知运动曲线全过程，生成对应曲线的速度信息V(t)和位置信息S(t)。V0是指定的初始速度，S0是指定的调转位置，该指定参数既可以提前装订进所述步骤二中，也可以根据任务需要通过指令获得，在线规划对应不同的初始速度和不同调转位置的运动曲线速度信息和位置信息。运动曲线的速度方程：运动曲线的位置方程：所述步骤四中，将步骤三计算获取的位置及速度信息进行相应量纲转化，采用复合控制原理驱动框架的运动，将位置信息作为位置回路的输入，速度信息以前馈的方式加入到速度回路。为实现上述目的，本专利技术还采用以下技术方案：一种加速力矩受限的转台运动曲线在线规划系统，包括以下单元：转动惯量获取单元：用于在速度回路闭环条件下输入对应于不同加速度的等效正弦函数驱动框架转动，采集框架的位置信息，由电机的机械运动方程获取框架的转动惯量；分段运动时间参数获取单元：用于根据最大加速力矩限制值和转动惯量获取单元实测出的框架转动惯量计算获取框架运动的最大角加速度，结合转台观测任务所要求的运动时间，获取框架运动曲线的分段运动时间参数，包括变加速时间参数、匀加速时间参数；速度信息和位置信息生成单元：用于通过分段运动时间参数获取单元获取的分段运动时间参数进一步划分运动曲线全过程，生成对应曲线的实时速度信息和位置信息；框架运动控制单元：用于将速度信息和位置信息生成单元生成的速度及位置信息进行相应量纲转化，采用复合控制方式控制框架的运动，将位置信息作为位置回路的输入，速度信息以前馈的方式加入到速度回路。所述转动惯量获取单元中，在速度回路闭环条件下输入对应于不同加速度的等效正弦函数方程为：公式(1b)中A为正弦函数的幅值，ωr为正弦函数的角频率，vmax为等效正弦函数的最大速度值，amax为等效正弦函数的最大加速度值。电机的机械运动方程如下公式(2b)中Jm为框架的转动惯量，TL为框架的负载转矩，Jm和TL均为未知参数；TM为电机输出转矩，可由公式TM＝KT·iM计算得到；KT为电机转矩系数；iM为电机电流，可实测电机电流得到，B为阻尼系数，与框架所选择的材料有关，由相关机械设计人员给出相应的具体值；ωm为电机转动角速度，由转台所安装的位置测量部件的位置信息微分得到，或由测速部件直接给出；为电机转动角加速度，可通过角速度ωm微分得到。根据公式(1b)设计二组对应的等效正弦函数作为输入，分别记录对应的转台框架的位置信息，再经由公式(2b)解方程组即可得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种加速力矩受限的转台运动曲线在线规划方法，其特征在于，包括，如下步骤：步骤一、在速度回路闭环条件下输入对应于不同加速度的等效正弦函数驱动框架转动，采集转台框架的位置信息，由电机的机械运动方程得到转台框架的转动惯量；步骤二、根据最大加速力矩限制值和步骤一实测出的框架转动惯量计算出框架运动的最大角加速度，结合转台观测任务所要求的运动时间，获取运动框架曲线的分段运动时间参数；步骤三、以步骤二获取的分段运动时间参数进一步划分运动曲线全过程，生成对应曲线的实时速度信息和位置信息；步骤四、将步骤三的速度及位置信息进行相应量纲转化，采用复合控制方式控制框架的运动，将位置信息作为位置回路的输入，速度信息以前馈的方式加入到速度回路。

【技术特征摘要】
1.一种加速力矩受限的转台运动曲线在线规划方法，其特征在于，包括，如下步骤：步骤一、在速度回路闭环条件下输入对应于不同加速度的等效正弦函数驱动框架转动，采集转台框架的位置信息，由电机的机械运动方程得到转台框架的转动惯量；步骤二、根据最大加速力矩限制值和步骤一实测出的框架转动惯量计算出框架运动的最大角加速度，结合转台观测任务所要求的运动时间，获取运动框架曲线的分段运动时间参数；步骤三、以步骤二获取的分段运动时间参数进一步划分运动曲线全过程，生成对应曲线的实时速度信息和位置信息；步骤四、将步骤三的速度及位置信息进行相应量纲转化，采用复合控制方式控制框架的运动，将位置信息作为位置回路的输入，速度信息以前馈的方式加入到速度回路。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，在速度回路闭环条件下输入对应于不同加速度的等效正弦函数方程为：公式(1a)中A为正弦函数的幅值，ωr为正弦函数的角频率，vmax为等效正弦函数的最大速度值，amax为等效正弦函数的最大加速度值；电机的机械运动方程如下：公式(2a)中Jm为框架的转动惯量，TL为框架的负载转矩，Jm和TL均为未知参数；TM为电机输出转矩，可由公式TM＝KT·iM计算得到；KT为电机转矩系数；iM为电机电流，B为阻尼系数，ωm为电机转动角速度，为电机转动角加速度；根据公式(1a)设计二组对应的等效正弦函数作为输入，分别记录对应的转台框架的位置信息，再经由公式(2a)解方程组即可得到框架的转动惯量Jm、框架的负载转矩TL。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，根据最大加速力矩限制值和步骤一实测出的框架转动惯量计算得到框架运动的最大角加速度，公式如下：公式(3a)中，加速力矩TB，框架转动惯量Jm，均为已知项，通过计算可知对应的框架最大角加速度值aω。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，以步骤二获得的分段运动时间参数，及已知的调转时间就可以得知运动曲线全过程，生成对应曲线的速度信息和位置信息。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四中，将步骤三计算获取的位置及速度信息进行相应量纲转化，采用复合控制原理驱动框架的运动，将位置信息作为位置回路的输入，速度信息以前馈的方式加入到速度回路。6.一种加速力矩受限的转台运动曲线在线规划系统，其特征在于，包括：转动惯量获取单元：用于在速度回路闭环条件下输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鑫，周怀得，李广泽，徐东，陈佳豫，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22