一种悬吊漂浮物随动系统的加速度补偿控制方法及基于模式选择的控制方法技术方案

一种悬吊漂浮物随动系统的加速度补偿控制方法及基于模式选择的控制方法，属于悬吊漂浮物随动系统领域。本发明专利技术是为了解决传统方法针对随动平台驱动力设计的控制器无法直接用于电机转速控制模式的问题。本发明专利技术所述的一种悬吊漂浮物随动系统的加速度补偿控制方法，首先建立运动学和动力学方程，确定悬吊漂浮物随动系统的电机控制模式，设计控制器和调节参数四步解决了传统方法将驱动力Fx和Fy作为控制项，电机只能采用转矩模型，性能无法得到充分发挥的问题；降低了对电机本身控制模式的要求，从而更好的发挥电机本身性能，提高了悬吊漂浮物随动系统的控制性能。本发明专利技术适用于悬吊漂浮物随动系统领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于悬吊漂浮物随动系统领域，涉及一种悬吊漂浮物随动系统的加速度补偿控制方法。
技术介绍
悬吊法地面零重力环境模拟系统在航天员训练和航天器动力学研究中均有广泛的应用。该系统在竖直方向上悬吊某种能够主动进行水平移动的目标体，通过恒张力控制抵消目标体重力，实现零重力模拟。同时在水平方向上利用随动系统控制悬吊装置跟随目标体移动，并补偿悬吊装置对目标体水平方向运动所产生的影响。随动系统的控制性能决定了目标体模拟自身在空间中水平运动的精度，所以随动控制器的设计在悬吊漂浮物随动系统中有着重要的地位。当前对于悬吊法水平随动系统控制算法的研究文献较少，中国科学技术大学于2006年发表的一篇名称为《三维重力补偿方法与空间浮游目标模拟实验装置研究》的博士论文，记载了利用转动臂和移动小车实现目标体的运动，该方法通过测量目标体应该具有的水平移动速度和路径，规划转动臂和移动小车的路径，使其牵引目标体按照规划路径运动，该方法严格说来并不是闭环控制，而是一种人为引导。同时，电机驱动悬吊随动系统的控制算法多将驱动力作为控制项，少有将随动系统运动速度或加速度作为控制项的。但是驱动力控制对应的电机转矩模式精度较差，而速度或加速度控制对应的电机转速模式精度较高，这就使得控制算法设计和实际工程应用之间产生了矛盾。哈尔滨工业大学学报于2009年发表的一篇名称为《悬吊式重力补偿系统精密跟踪方法》的文章，针对悬吊系统随动控制问题，利用非线性规划给出了一种最优控制方法，该方法直接将随动系统运动的速度和加速度作为控制量，但是寻优过程复杂，该方法属于一种规划控制方法，不属于闭环控制，其只能适用于某种固定工况，在随动目标体改变期望运动时，该方法需要重新调整参数，使用不灵活，效果欠佳。
技术实现思路
本专利技术是为了解决传统方法针对悬吊漂浮物随动系统中的随动平台驱动控制器无法直接用于电机转速控制模式，以及现有悬吊漂浮物随动系统没有闭环的基于速度和加速度的控制方法的问题，现提供一种悬吊漂浮物随动系统的加速度补偿控制方法及基于模式选择的控制方法。一种悬吊漂浮物随动系统的加速度补偿控制方法，该方法包括以下步骤：步骤一：设悬吊漂浮物随动系统中目标体水平面上两个相互垂直的方向分别为X和Y，建立悬吊漂浮物随动系统运动学和动力学方程；步骤二：将αx和αy作为与比例系数结合的状态量，将θx和θy作为与微分系数结合的状态量，将∫αx和∫αy作为与积分系数结合的状态量，将和作为与加速度系数结合的状态量；根据运动学和动力学方程获得电机在转速控制模式下基于速度和加速度的控制器：x··=KPx′αx+KDx′θx+KIx′∫αxdt+KAx′θ·xy··=KPy′αy+KDy′θy+KIy′∫αydt+KAy′θ·yx·=∫x··dty·=∫y··dt;]]>其中，K′Px和K′Py分别为转速控制模式下X方向和Y方向的比例控制系数，K′Dx和K′Dy分别为转速控制模式下X方向和Y方向的微分控制系数，K′Ix和K′Iy分别为转速控制模式下X方向和Y方向的积分控制系数，K′Ax和K′Ay分别为转速控制模式下X方向和Y方向的加速度控制系数，为目标体X方向移动的速度，为目标体X方向移动的加速度，为目标体Y方向移动的速度，为目标体Y方向移动的加速度；分别调节电机在转速控制模式下基于速度的控制器中X方向和Y方向的参数，使得系统能够得到控制且随动误差收敛于零，实现加速度补偿控制。一种悬吊漂浮物随动系统基于模式选择的控制方法，该方法包括以下步骤：步骤A：设悬吊漂浮物随动系统中目标体水平面上两个相互垂直的方向分别为X和Y，建立悬吊漂浮物随动系统运动学和动力学方程；步骤B：确定悬吊漂浮物随动系统的电机控制模式；步骤C：将αx和αy作为与比例系数结合的状态量，将θx和θy作为与微分系数结合的状态量，将∫αx和∫αy作为与积分系数结合的状态量，将和作为与加速度系数结合的状态量；当悬吊漂浮物随动系统的电机控制模式为转矩控制模式时，根据运动学和动力学方程获得电机在转矩控制模式下的基于作用力的控制器：Fx=KPxαx+KDxθx+KIx∫αx+KAxθ·xFy=KPyαy+KDyθy+KIy∫αy+KAyθ·y;]]>其中，KPx和KPy分别为转矩控制模式下X方向和Y方向的比例控制系数，KDx和KDy分别为转矩控制模式下X方向和Y方向的微分控制系数，KIx和KIy分别为转矩控制模式下X方向和Y方向的积分控制系数，KAx和KAy分别为转矩控制模式下X方向和Y方向的加速度控制系数，Fx为随动平台X方向上的驱动力，Fy为随动平台Y方向上的驱动力；分别调节电机在转矩控制模式下的基于作用力的控制器中X方向和Y方向的参数，使得系统能够得到控制且随动误差收敛于零，实现加速度补偿控制；当悬吊漂浮物随动系统的电机控制模式为转速控制模式时，根据运动学和动力学方程获得电机在转速控制模式下基于速度和加速度的控制器：x··=KPx′αx+KDx′θx+KIx′∫αxdt+KAx′θ·xy··=KPy′αy+KDy′θy+KIy′∫αydt+KAy′θ·yx·=∫x··dty·=∫y··dt;]]>其中，K′Px和K′Py分别为转速控制模式下X方向和Y方向的比例控制系数，K′Dx和K′Dy分别为转速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬吊漂浮物随动系统的加速度补偿控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一：设悬吊漂浮物随动系统中目标体水平面上两个相互垂直的方向分别为X和Y，建立悬吊漂浮物随动系统运动学和动力学方程；步骤二：将αx和αy作为与比例系数结合的状态量，将θx和θy作为与微分系数结合的状态量，将∫αx和∫αy作为与积分系数结合的状态量，将和作为与加速度系数结合的状态量；根据运动学和动力学方程获得电机在转速控制模式下基于速度和加速度的控制器：x··=KPx′αx+KDx′θx+KIx′∫αxdt+KAx′θ·xy··=KPy′αy+KDy′θy+KIy′∫αydt+KAy′θ·yx·=∫x··dty·=∫y··dt;]]>其中，K′Px和K′Py分别为转速控制模式下X方向和Y方向的比例控制系数，K′Dx和K′Dy分别为转速控制模式下X方向和Y方向的微分控制系数，K′Ix和K′Iy分别为转速控制模式下X方向和Y方向的积分控制系数，K′Ax和K′Ay分别为转速控制模式下X方向和Y方向的加速度控制系数，为目标体X方向移动的速度，为目标体X方向移动的加速度，为目标体Y方向移动的速度，为目标体Y方向移动的加速度；分别调节电机在转速控制模式下基于速度的控制器中X方向和Y方向的参数，使得系统能够得到控制且随动误差收敛于零，实现加速度补偿控制。...

【技术特征摘要】
1.一种悬吊漂浮物随动系统的加速度补偿控制方法，其特征在于，该方法包括以下步
骤：
步骤一：设悬吊漂浮物随动系统中目标体水平面上两个相互垂直的方向分别为X和Y，
建立悬吊漂浮物随动系统运动学和动力学方程；
步骤二：将αx和αy作为与比例系数结合的状态量，将θx和θy作为与微分系数结合的状
态量，将∫αx和∫αy作为与积分系数结合的状态量，将和作为与加速度系数结合的状态
量；
根据运动学和动力学方程获得电机在转速控制模式下基于速度和加速度的控制器：
x··=KPx′αx+KDx′θx+KIx′∫αxdt+KAx′θ·xy··=KPy′αy+KDy′θy+KIy′∫αydt+KAy′θ·yx·=∫x··dty·=∫y··dt;]]>其中，K′Px和K′Py分别为转速控制模式下X方向和Y方向的比例控制系数，K′Dx和K′Dy分
别为转速控制模式下X方向和Y方向的微分控制系数，K′Ix和K′Iy分别为转速控制模式下X
方向和Y方向的积分控制系数，K′Ax和K′Ay分别为转速控制模式下X方向和Y方向的加速
度控制系数，为目标体X方向移动的速度，为目标体X方向移动的加速度，为目标
体Y方向移动的速度，为目标体Y方向移动的加速度；
分别调节电机在转速控制模式下基于速度的控制器中X方向和Y方向的参数，使得系
统能够得到控制且随动误差收敛于零，实现加速度补偿控制。
2.根据权利要求1所述的一种悬吊漂浮物随动系统的加速度补偿控制方法，其特征在
于，步骤一所述的运动学和动力学方程为：
(Mx+m)x··+Cxx·+mlθ··x=Fx(My+m)y··+Cyy·+mlθ··y=Fyα·x=θxα·y=θymlθ··x+mx··+mgθx=Jxmlθ··y+my··+mgθy=Jy]]>其中，m为目标体的质量，l为吊索长度，x为目标体X方向的位移，为目标体X
方向移动的速度，为目标体X方向移动的加速度，y为目标体Y方向的位移，为目标

\t体Y方向移动的速度，为目标体Y方向移动的加速度，Mx为目标体X方向的平移质量，
My为目标体Y方向的平移质量，Cx为X方向直线导轨的平移阻尼系数，Cy为Y方向直
线导轨的平移阻尼系数，αx为X方向增广状态量，即X方向误差量，αy为Y方向增广状
态量，即Y方向误差量，Jx为目标体X方向上的驱动力，Jy为目标体Y方向上的驱动力，
Fx为随动平台X方向上的驱动力，Fy为随动平台Y方向上的驱动力，θx为X方向误差量
的一阶导数，θy为Y方向误差量的一阶导数，为X方向误差量的二阶导数，为Y方
向误差量的二阶导数，为吊索摆角X方向上的投影、为吊索摆角X方向上的投影。
3.根据权利要求1所述的一种悬吊漂浮物随动系统的加速度补偿控制方法，其特征在
于，步骤二中利用下述方法获得电机在转速控制模式下基于速度和加速度的控制器：
首先，将运动学和动力学方程程改写为和关于和的函数形式：
mlθ··x-Fx=-(Mx+m)x··-Cx∫x··dtmlθ··y-Fy=-(My+m)y··-Cy∫y··dtα·x=θxα·y=θymlθ··x+mgθx=-mx··+Jxmlθ··y+mgθy=-my··+Jy]]>其中，m为目标体的质量，l为吊索长度，为目标体X方向移动的加速度，为目标
体Y方向移动的加速度，Cx为X方向直线导轨的平移阻尼系数，Cy为Y方向直线导轨
的平移阻尼系数，Mx为目标体X方向的平移质量，My为目标体Y方向的平移质量，Jx为
目标体X方向上的驱动力，Jy为目标体Y方向上的驱动力，Fx为随动平台X方向上的驱
动力，Fy为随动平台Y方向上的驱动力，θx为X方向误差量的一阶导数，θy为Y方向误
差量的一阶导数，为吊索摆角X方向上的投影，为吊索摆角X方向上的投影rad/s2，
αx为X方向增广状态量，即X方向误差量，αy为Y方向增广状态量，即Y方向误差量；
然后，根据上式获得电机在转速控制模式下基于速度和加速度的控制器。
4.根据权利要求1所述的一种悬吊漂浮物随动系统的加速度补偿控制方法，其特征在
于，步骤二中，所述分别调节X方向和Y方向的参数的方法如下：
将K′Dx、K′Ix和K′Ax置零，调节K′Px使系统输出产生振荡；然后逐渐调节K′Dx，使系统振
荡减弱，误差有收敛趋势；再增大K′Ax，消除系统输出量和状态量的振荡；最后调节K′Ix，
使随动误差收敛于零；
将K′Dy、K′Iy和K′Ay置零，调节K′Py使系统输出产生振荡；然后逐渐调节K′Dy，使系统振
荡减弱，误差有收敛趋势；再增大K′Ay，消除系统输出量和状态量的振荡；最后调节K′Iy，
使随动误差收敛于零。
5.一种悬吊漂浮物随动系统基于模式选择的控制方法，其特征在于，该方法包括以下
步骤：
步骤A：设悬吊漂浮物随动系统中目标体水平面上两个相互垂直的方向分别为X和Y，
建立悬吊漂浮物随动系统运动学和动力学方程；
步骤B：确定悬吊漂浮物随动系统的电机控制模式；
步骤C：将αx和αy作为与比例系数结合的状态量，将θx和θy作为与微分系数结合的状
态量，将∫αx和∫αy作为与积分系数结合的状态量，将和作为与加速度系数结合的状态
量；
当悬吊漂浮物随动系统的电机控制模式为转矩控制模式时，根据运动学和动力学方程
获得电机在转矩控制模式下的基于作用力的控制器：
Fx=KPxαx+KDxθx+KIx∫αx+KAxθ·xFy=KPyαy+KDyθy+KIy∫αy+KAyθ&...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢文博，张健，许家忠，高海波，刘振，尤波，黄玲，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23