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1、第一章 绪论1.1 课题背景和意义陀螺稳定装置是惯性技术的重要组成部分，它在军事、政治、民用工业中有着广泛的应用。陀螺稳定装置是各种航天器姿态稳定中的关键部件1。武装直升飞机、坦克经常在极其恶劣的环境中作大机动运动，为了瞄准目标，确保作战性能，瞄准装置是必需的，而陀螺稳定随动系统是瞄准装置的核心子系统，其实现的主要功能是：隔离运载体对瞄准装置的角运动干扰，使瞄准装置的视线轴稳定、快速地盯住目标，并减小由于颤振引起的图像模糊，提高摄像质量234。防空雷达的天线体积庞大，经常受到各种各样的干扰，为了使其实现跟踪目标或按预定规律搜索的任务，也需要陀螺稳定装置来隔离这些干扰1。在民用场合，相机在各种领
2、域获得了广泛的应用。但与此同时，应用场合对其提的要求也越来越苛刻。比如，在一些场合常常需要对高速景象作快速的拍摄，并且要求获得高清晰度的图像，这时，人一般很难完成，因而，需要稳定伺服装置，使相机机动地跟踪图像，并保证摄像机在基座振动的情况下获得良好的图像质量，因为这是视频跟踪的前提。在情报、政治领域，经常要对感兴趣的运动目标进行拍摄，所有操作可能需要远距离或者秘密地进行，这就要求将相机安装在一个运载体上，而运载体的振动将会导致图像的模糊，最终会使目标在视场中丢失。为了解决这个问题，精密、微型的陀螺稳定伺服装置是必需的关键组件。 用来测试导弹等空间飞行器轨迹的经纬仪如果加上陀螺，就可以安装在舰船
3、上，不受基座振动的影响，从而扩大它的使用范围。所有这些表明，陀螺稳定装置获得了极其广泛的应用。在这些应用当中，它起到的基本功能是一致的：隔离运载体或基座的角运动运动干扰，使装载在运载体上的光学镜头或雷达天线（被稳定对象）在惯性空间的某几个指向保持稳定，并能根据指令要求，使被稳定对象在有干扰作用的情况下沿着一定规律转动1。对于陀螺稳定装置的研究，自1904年Otto Schlick提出直接式陀螺稳定装置起，已经有了近一百年的历史，其技术已经相当成熟1。但是，随着现代军事和工业生产的发展，传统的陀螺稳定装置越来越不能满足要求，主要原因在于：传统的陀螺稳定装置采用的关键部件陀螺为机械陀螺。一些机械陀
4、螺的测角精度虽然相当高，但是，在一些应用场合，有一些不能容忍的缺点：难以制造，价格昂贵，重量、功耗大等，抗振、抗冲击能力弱，由于机械部件多，因而可靠性低，难以维护5。因而传统的陀螺稳定随动装置体积大，功耗高，价格昂贵，寿命短，一般只用在军事上，而且对环境的要求和维护相当苛刻，对于强调费用和使用寿命的民用场合则很难涉足。由于陀螺稳定装置应用场合特别广，因此，因此，解决这些问题，使稳定装置更新换代，将在军事和民用上具有重要的实用价值和广泛的应用前景。 陀螺稳定装置作为惯性技术的一个重要组成部分，一直是经久不衰的研究课题。它的更新换代主要取决于陀螺技术的进步和电子控制技术的发展。近年来，由于光纤陀螺
5、进入实用阶段，以及微电子技术、 功率电子技术和伺服驱动技术的进步，稳定装置现在有了很大的发展。近年来，国外对陀螺稳定装置的研究取得了新的突破。装置的体积越来越小，正向数字化、集成化方向发展。然而可靠性一直是近来稳定平台发展的主线。主要体现在：l 关键部件陀螺由机械陀螺向可靠性更高的非转子陀螺如光学陀螺（主要指光纤陀螺）发展，其技术在国外已经相当成熟。稳定平台作为惯性技术的一部分，其发展主要取决于陀螺的进展。近20年作为无机械转子的光纤陀螺取得了很大进展。现在，在国外已经广泛用于航空、航天、军事、民用等领域。作为新型角速度传感器，与传统的机械陀螺相比，它有许多优点5：1) 由于光纤陀螺是光学传感
6、器，无机械转子，因而寿命长，可靠性高，维护方便；2) 抗振、抗冲击能力好，输出与一些环境条件如加速度无关。故不像机械陀螺那样有加速度误差；3) 具有很高的动态测量范围，测角速度范围很宽；4) 带宽很宽，可达几百赫兹；5) 启动速度快，连续工作时间长，由于光学陀螺是一个光电系统，所以容易自检；6) 成本低。由于光纤陀螺有以上应用特点，因而它有着广阔的应用前景。但光纤陀螺本身也存在着以下一些问题，1) 一般来说，考虑成本，在面向惯性稳定的应用采用开环光纤陀螺，而开环结构的光纤陀螺标度因子线性度和可重复性较差；2) 由于光路中的噪声较大，造成光纤陀螺零漂和随机游走较大；3) 干扰源众多，对温度敏感，
7、如不采取任何补偿措施，光纤陀螺会产生较大的漂移，严重影响参数稳定性和标度因子线性度。以上有关光纤陀螺问题是应用中将要突出考虑的问题。下表1是三种典型陀螺：机械陀螺、光纤陀螺、振动陀螺的性能比较5：表1-1 各种速率陀螺性能的比较Table 1-1 Comparison of gyro technology for angle rate sensors特性机械陀螺光纤陀螺Coriolis振动陀螺可靠性低高很高温度特性好很好（补偿后）较差环境敏感度G或g2敏感单轴速率传感g或g2敏感，但抗冲击成本高并呈上升趋势低并呈下降趋势大量时很低尺寸小较大很小目前，在国外，中低精度的干涉型光纤陀螺（IFOG）
8、已经广泛进入各种应用领域，如导航、机器人、精密指北系统等67。已经分别成功用于民用和军事的负载稳定8。图11是利用Ecore2000系列光纤陀螺做成的相机视线稳定系统8。l 伺服驱动装置有了很大进步。集成化的驱动器和精密、微型化的伺服电机使整个装置的微型化成为可能。为了适应机电系统高性能、小型化、低成本和高可靠的要求，从80年代初开始，国外已经开始开发功率集成电路模块，该模块将半导体功率器件与驱动、逻辑、控制、检测、自诊断、保护电路集成在同一个芯片上或一个混合模块里。同时，现代控制电机技术与微电子技术、电力电子技术结合产生了一批新型混和式电机，如无刷直流电机、步进电机、交流伺服电机、开关磁阻电
9、机等，这种电机的电动机部分和电子功率集成控制、驱动部分结合成一个有机的整体，形成一个子系统，使整个电机系统集成度、微型化、可靠性大大提高。现在，单纯的电机控制已发展成复杂的运动控制，运动控制系统使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制，加上嵌入式微处理器在电机控制系统中的应用，使各种先进的控制策略在电机控制中得到了应用，极大的提高了整个运动驱动控制系统的综合性能9。l 全数字电子控制电路使陀螺稳定装置的可靠性、集成化程度、精度的进一步提高成为现实。一般来说，利用模拟PID控制可以实现高增益的平滑控制，所以，在国内，现有的光电跟踪双轴稳
10、定平台的稳定回路的全部采用是模拟电子调节（如清华大学设计的摄像机瞄准线稳定系统10以及哈尔滨工业大学设计的挂飞平台11），跟踪回路则采用数字控制，以适合和CCD相机的数字图像处理接口。采用模拟电路虽然调节速度快，实时性好，但是抗干扰性差，且当系统的复杂度增加时，需要相应地制作相当复杂的模拟控制电路板和模拟信号处理板，以实现复杂的调节与补偿算法。最近几年，随着微电子技术的快速发展，数字电路的集成度、速度越来越高。特别是可编程器件和微处理器技术的发展，控制电路的进一步集成化、模块化成为现实，若稳定平台的稳定和跟踪采用全数字控制，不仅有利用减小电路的体积，还可以利用各种复杂控制算法和监控手段，使稳定
11、系统的精度和可靠性进一步得到提高。图1-1 采用Ecore2000光纤陀螺设计的视线稳定系统Figure 1-1 Line of sight stabilized system using Ecore2000 FOG正是因为这三个方面的技术进展，使陀螺稳定装置在国外有了新的突破。目前，陀螺稳定装置需要重点解决的问题有：1） 设计体制的模块化和系列化。从机械设计角度来说，模块化是指在两轴平台的基础之上，第三轴配置是可以拆卸的。也就是说：模块化是指平台既可以进行三轴配置，又可以作为两轴配置。最终将实现稳定装置的通用性和多功能。传统的平台面向特定的应用领域，当稳定的负载改变时，平台的设计（包括机械结
12、构设计和控制系统）都需要作重大的调整，这样设计出来的平台没有通用性，造成了系统的重复开发，提高了开发成本，降低了平台系统的开放性。采用模块化设计，并针对不同档次的负载进行系列化处理，从而最终实现平台系统的通用性。但模块化同时带来了一系列的问题，一是保精度的机械设计的难度大大增加；另外，更重要的是要求稳定平台的控制系统在负载大变动时具有适应性，以维持性能要求。这尤其难做到，原因在于，对于一个机械系统，负载的变化不仅仅导致对象特性的改变（包括转动惯量、谐振模态），而且干扰参数也将随之改变，这就需要控制系统在适应对象参数变化以保证对参数变化的鲁棒稳定性的同时，保持对干扰的抑制度，以确保系统能达到其所
13、能应用的精度。这些都是需要重点解决的问题。2） 容错处理。稳定系统作为一种高精密的运动控制系统，在很多地方都是起着关键作用的核心部件，一旦出现运行故障，轻则使系统丧失功能，重则使系统零部件受损。所以对控制系统的容错性要求极高。目前，提高容错行的主要办法是：a) 采用可靠的元器件。例如采用无刷直接驱动电机作为执行电机，采用无机械转子的光纤陀螺作为稳定的传感器。无刷电机和光纤陀螺的平均无故障时间远比有刷电机和机械陀螺要长，维护也简单，对工作环境的要求低。这样可以基本上免除维护，提高系统的平均无故障时间。b) 机械结构设计保证。从机械设计上就可靠的安全保护措施，如采用滑刷实现平台外环连续旋转，这样可
14、以从根本上防止平台在意外情况下出现安全事故。当出现事故时，从硬件上考虑使系统自动停止运动伺服，从而使事故造成的损坏降低到最低程度。c) 控制系统容错设计和完善的软件故障诊断陀螺稳定装置在国外有了相当的进展，图1-1正是以色列Xybion公司研制成功的数字控制负载自适应光纤陀螺稳定系统8。与传统的机械陀螺稳定装置比，与传统的稳定平台相比，它有以下优点：采用模块化设计和数字自适应控制，这样即使负载改变时也能实现很好的控制效果，具有高度的负载自适应性；由于采用了光纤陀螺和无刷电机，它们的平均无故障时间（MTTR）远比机械陀螺和有刷电机要高得多，因而可靠性高。最后是成本大幅度降低，具有以前稳定装置不可
15、比拟的优点。在国内，对陀螺稳定装置的主要研究仍处在“一个平台实现一个特定负载稳定”的步子上，并且由于光纤陀螺仪研制进度缓慢，还远没有达到实用阶段，稳定装置的主要传感器仍是机械陀螺，就公开的资料来说，还没有有关用光纤陀螺用作负载稳定的例子。1.2 课题来源本课题来源于香港科技大学高科技创新主题。课题分成两部分，前期是预研，主要是实现光纤陀螺稳定系统（Fiber Optic Gyro Stabilized System，FOGSS）（已经完成并已交付用户），后期是在前期的基础之上，实现相机瞄准线的稳定和跟踪功能，并达到预定的性能要求，使之成为一个实用的产品。1.3 设计要求从相机视线稳定系统的稳定
16、目的来看，稳定系统的实现的任务主要有两方面12，包括：（1）在有基座允许振动和陀螺噪声存在的条件下，相机的视线轴（Line of sight，以下简称LOS）稳定性或“颤动”必须保持在允许的范围之内（通常是几个毫弧度或者几分之毫弧度）；（2）LOS必须尽可能忠实的反映输入的指令角速度。因而，控制系统设计必须考虑干扰环境，可能的输入指令范围、测量噪声和允许控制力矩的环架对象特性。于是控制系统的基本要求就是产生一个控制，以在干扰抑制、指令跟随、噪声耦合以及考虑在所有标定的工作条件和电机的控制力矩选择之间作一个合理的折中。预研中的工程项目FOGSS期望达到的指标有：1）隔离度(SD)：指稳定平台对于
17、基座的干扰角速度的隔离程度。其数学表述可为：= 100，其中AMsinwt为基座的干扰角速度，APsinwt实际设计时，反映在闭环力矩刚度(开环增益)这个指标上。力矩刚度等于干扰力矩与其所引起的平台偏差角之比，它表征了平台系统在干扰力矩作用下保持方位稳定的能力。在本课题前期工作中，取 =1% （当AM3deg，w=1.3rad/s或f =0.2Hz时）。3） 长期漂移：1小时内平均漂移为0.01deg/s。预研工程中对指令跟踪没有要求。1.4 技术问题1) FOGSS的设计是一种典型的高精度伺服系统设计问题，其基本特点在于：窄带，高增益。即在限制系统的带宽的同时，需要设法提高系统的刚度，以保证
18、系统的隔离度满足性能的要求，同时，采用全数字控制时，由于采样引入滞后限制了系统的带宽，降低了系统的稳定裕度，严重影响了系统的性能。后面将会看到，这种矛盾尖锐的反应在工程设计当中。2) 由于光纤陀螺处于系统反馈传感环节，光纤陀螺输出信号中频率较低的零漂引起的台体漂移将是1：1的。在现有的光纤陀螺中，开环IFOG制作容易，价格低廉，但是受温度的影响极大。实际上，温漂是限制光纤陀螺精度的一个主要原因，光纤陀螺的一些主要性能指标都与温度有关，并且是一个随环境条件变化的复杂随机过程。补偿温度特性对光纤陀螺的影响，是当前低档开环光纤陀螺应用的一个重要前提。3) FOGSS是一个典型的运动控制系统，它用于相
19、机视线的稳定。与所有运动控制一样，环架中存在的摩擦是一个突出的问题。一般的，平台在大多数情况下工作在极低速状态，摩擦非线性对系统的主要影响是低速性能，其主要产生原因在于动静摩擦的差异。它带来的危害有：引起系统静态误差，在系统低速跟踪和小阻尼时引起所谓的“滞滑”跳动，从而降低系统的分辨率和重复精度，使相机视线产生颤振，导致图像质量的下降。故从技术上分析摩擦摩擦非线性对系统的影响，有利于为稳定平台的摩擦补偿打下良好的基础。1.5 论文内容本论文分为两大部分：前一部分论述预研工程的实现（第二章到第四章），后一部分作为理论上的研究（第五章与第六章），对整个工程的改进提出进一步的解决方案。第二章是系统的
20、分析，主要讨论稳定系统的隔离原理、基本结构配置和有关模型简化的处理。这部分作为工程实现的前提，是控制系统综合的基础。因为光纤陀螺在系统中是至关重要的元器件，它的性能决定了系统的最好性能，所以第三章分析分析光纤陀螺的基本模型和性能指标，针对未补偿光纤陀螺温度特性差的特点，利用实验的手段对光纤陀螺进行了温度漂移补偿，然后采用最小二乘法对数据进行了处理，给出了工程中易于实现的分段折线补偿算法。第四章简略的论述了硕士期间预研项目FOGSS的工程实现。包括数字PI控制器综合方法，库仑摩擦和陀螺噪声对系统的影响，系统的软硬件设计和可靠性处理等问题。负载自适应一直是新型稳定平台设计中所期望的目标，但是实际操
21、作时有相当的困难，因为负载变动引起系统多方面特性的改变，另外稳定平台的摩擦补偿与一般的运动控制系统是不一样的，找到一种合适的补偿算法是相当困难的。第五章首先从理论上分析和解决预研工程实际中存在的问题，包括传输滞后和零阶保持器对系统稳定裕度的影响，摩擦力矩对系统的影响以及系统的故障处理问题。然后在分析这些问题的基础之上，提出一种自适应控制解决方案，以解决在控制系统的负载变动的适应性问题。第六章是总结以前工作的基础之上，给出了进一步改进FOGSS的工程解决方案。第二章 系统分析2.1隔离原理FOGSS的基本功能是隔离基座角运动干扰，使安放在云台上的光学镜头的视线轴（LOS）在惯性空间保持指向稳定。
22、图2-1是采用平台式稳定配置时的FOGSS的坐标变换关系示意图。oxbybzb、oxayaza 、oxfyfzf分别是与基座、方位环（外环）、高低环（内环）固连的坐标系。ozb 与oza（方位轴，又称外环轴）重合，oxa 与oxf（俯仰轴，又称内环轴）重合，在台体上安装光学镜头，其LOS与oyf轴平行。oyf即为稳定的对象光学镜头视线轴方向。其中为oxayaza 绕oxb正向相对oxbybzb 的转角（称方位角），为oxfyfzf绕oxa轴正向相对oxayaza的转角（称俯仰角）。在云台上安装有两个单自由度陀螺仪：方位陀螺仪GZ和高低陀螺仪GX，其输入轴分别沿oza、oxf方向。在方位轴和高低
23、轴上分别安装有伺服力矩电机Ma、Mf 。图2-1 FOGSS中的坐标转换关系图Figure 2-1 correlation of FOGSS coordination transformation 为了确保oyf在惯性空间保持指向稳定，在没有指令角速度的情况下，绕云台两轴oxf、ozf的xif、zif为零。而实际上，当基座oxbybzb有角速度为ib 时，此角速度将以干扰形式通过云台环架轴之间的摩擦约束和几何约束向台体耦合。下面分析这种情况。1. ib通过方位轴oza的摩擦约束和几何约束耦合给方位环此时，应有 ia= Cib，即= （21） =（22） 当通过oza轴的摩擦力矩驱动方位环时，设
24、计方位环稳定回路，将 隔离掉，此时应有：ia= （23）2. ia通过高低轴oxf的摩擦约束和几何约束耦合给台体此时，应有if= Cia，即=（24）=（25）当通过oxf轴以摩擦约束形式耦合到台体时，设计高低环稳定回路，将隔离掉。此时（2-5）变为：=（26）3. 几何约束耦合角速度的隔离摩擦约束耦合角速度被隔离掉后，为基座与云台台台体的几何约束耦合部分。由陀螺仪GZ敏感，并通过方位环稳定回路，使云台绕方位轴oza以a1转动，且有：a1cosf+=0（27）于是有：a1= - /cosf （28）当云台以a1转动时，a1沿yf有分量a1sinf，最后，当沿云台oxf和ozf轴的干扰角速度被隔
25、离掉后，沿oyf的角速度为： =a1sinf+cosf =secf = (-sina+cosa) secf （29）由以上分析得知，只要利用两个单轴速率陀螺仪作为角速率传感器的伺服回路，就可以将载体沿两轴oza、oxf的角速度都隔离掉。所以，若陀螺的测量值完全精确，则云台的台体oxfzf将精确模拟一个平面惯性坐标系，于是视线轴oyf在摩擦干扰的影响下，相对惯性坐标系的角位置保持方向恒定。这就达到了稳定的目的。但是陀螺的测量值是不能做到完全精确的，将引入测量噪声；由于摩擦干扰是一个复杂的非线性随机干扰，它是不能精确解析表达的，所以摩擦干扰也不能完全抵消，所以稳定的最终效果将受这两个因素的限制，这
26、就是而后的工程实现中需要详细研究的问题。2.2 平台式稳定系统配置根据隔离原理和两个框架的几何关系，稳定系统的最基本框图如下图2-2所示。从下图表示的基本结构来看，图2-2 平台式稳定系统基本结构Figure 2-2 diagram of system with platform stabilization configuration从基本结构来看，系统可以分为两大部分，外环和内环。其中外环对内环有耦合作用，这体现在：由于GZ陀螺仪安装在内环上，它敏感到的是外环绕其框架轴的一个分量，故当环架系统的两框架轴近似平行时，GZ陀螺仪将失去敏感作用，所以工程实现时应该采取措施，以避免这种情况出现。图2
27、-3 平台式数字稳定系统框图Figure 2-3 diagram of Platform stabilized system with digital control注：图中以下标a结尾的表示外环（azimuth），以下标e结尾的表示内环（elevation）。Prba，Prbe：基座伺服位置指令输入（由计算机自动给定或由操作者通过手柄给定。）；Pba，Pbe：基座伺服回路输出；ria，rie：稳定回路指令输入；ia，ie：稳定回路角速度输出；Pia，Pie：稳定回路角位置输出；iba，ibe：基座的振动角速度；Mia，Mie：电机输出轴的干扰力矩；e ，a：FOG标度因子非线性误差（ppm）
28、；Da，De，Ea，Ee ：FOG输出漂移分量和温度敏感分量；Qsa，Qse：量化噪声；Kpbe，Kpba，Kvbe， Kvba ：基座伺服回路的位置环和速率环的控制器；Kia， Kie ：稳定回路的控制器。从功能来看，回路分为两类：稳定回路和基座伺服回路。现分别叙述如下：1、 基座伺服回路l 利用手柄，使LOS相对基座作期望的角运动。l 使云台框架系统在基座坐标系中找到一个合适的相对位置（主要是使框架的两个轴相互垂直），从而尽可能地消除由于框架之间的耦合带来的不利影响。l 云台的锁定。从而避免云台机械系统在基座剧烈振动时机械部件受损。2、 稳定回路系统的核心部分。由陀螺敏感框架轴所受的干扰角
29、速度，通过控制器，驱动伺服电机抵消干扰的作用，从而使框架绕该轴相对惯性空间保持稳定。稳定回路与基座伺服回路仅是传感器不一样，前者是光纤陀螺，后者则为光电编码器。它们敏感的信息是不一样的。前者用来敏感基座相对惯性空间的干扰角速度，从而使云台上光学镜头的LOS相对惯性空间的方向保持稳定。后者则是测量框架之间的相对角位置。当平台式稳定系统采用数字控制时，更进一步细化的框图如图2-3所示。该框图是不能直接用于控制系统综合的，我们在后面将较为详细的分析该系统框图的化简。2.3 混和式稳定系统配置FOGSS的另外一种配置就是：将陀螺仪全部安装在外环上，外环仍然作为平台式稳定方式，内环则作为捷联式稳定方式。
30、此时外环的控制系统保持不变，内环的控制系统结构如下图2-4所示：GX陀螺仪控制器电机&内框架光电码盘 beb-e图2-4 内环捷联式稳定系统框图Figure 2-4 strapdown stabilization configuration of inner frame其中b：外框架绕内环轴相对惯性空间的转角e：内框架绕内环轴相对惯性空间的转角be：内框架绕内环轴相对内环的转角捷联稳定的基本思想是：当外框架绕内框架有转角b时，内环就通过基座伺服回路，相对内环轴转过一个相反的角度be，从而使e保持不变（等于零）。这样就达到了稳定的目的。较之平台式稳定配置方式，捷联式稳定有以下优点,1) 稳定回路
31、动特性与陀螺本身无关，而由电机的光电编码器闭环回路决定。而该闭环回路能做到的力矩刚度是远非平台式稳定所能比拟的。2) 陀螺安装在被稳定的环架之外，有利于系统的安全处理。但是捷联式稳定配置有一个很大的缺点：由于陀螺直接测量基座角速度，所以对陀螺的动态测量范围要求很高，并且要求陀螺在宽的测量角速度范围之内的标度因子线性度相当精确，这势必在很大程度上增加陀螺的成本，因此，如没有特殊要求，稳定配置应该采用平台式稳定配置。2.4 模型处理1. 云台云台是系统的控制对象，当云台的两个环架是绕轴转动的完全刚性的同质负载时，最基本的模型就是一个积分器。然而，实际系统的行为可以表示为一个积分环节和多个谐振模态叠
32、加的微分方程，该方程由施加于刚体的多轴、多体动力学和运动学关系组成。单轴的扭曲结构动力学行为可以描述为： （210）等式右边决定了框架的谐振频率。在本工程中，框架的第一个低频谐振频率为72Hz（外环）和100Hz以上，接近采样频率（100Hz），远大于系统的带宽。所以初步设计时将不予考虑。为了满足各种稳定负载的不同要求，在云台机械设计中做了一些通用化处理。这就带来了一些在控制系统设计时应该考虑的问题。这些有：1） 转动惯量的变动当负载改变时，惯量也随之改变，表2-1列出了台体上安装不同质量负载时台体绕各轴的转动惯量。由表2-1可以看到，由于负载的变化，引起了外环和内环转动惯量的改变，这个表就是
33、设计系统的第一个依据。设计后的系统应该检验系统在该范围变化后的性能。表2-1 负载变化时的转动惯量的变动(注：变化率=惯量差/最大转动惯量)Table 2-1 moment of inertia changes with different payloads外框架惯量，kg.m2内框架惯量，kg.m235 kg 负载4.81.59817.5 kg 负载4.0720.851变化率15%46.8%2） 质量不平衡引起内环大的偏心干扰力矩：台体上有效载荷的形状和质量分布的变化，引起内环质心的改变，使其偏离俯仰轴，最终由于重力作用在内环产生一个偏心干扰力矩，这也是设计时应该考虑的一个重要问题。当台体上
34、负载变化时（如更换不同的相机镜头时），必须考虑由于框架转动惯量变化对系统的影响。2. 电机电机是系统的执行器，现代电机一般本身自带驱动器，并且有三种控制模式：位置模式、速度模式、力矩模式，这就涉及控制模式的选取问题。下面就电机的每个模式做简要的论述（为了简单起见，先将摩擦力矩简单建模干扰输入），l 力矩模式：为了达到高带宽和保证电机转矩平稳性，现代无刷电机的驱动器里一般都有一个力矩回路。在该模式下，电机的被控制量是电机绕输出轴的力矩。我们以工程中外环采用的Compumotor公司无刷直接驱动力矩电机DM1030B为例来试图对无刷直接驱动电机的模型进行处理。由Compumotor公司提供的资料，
35、力矩回路的带宽达800Hz1000Hz。力矩控制是通过高增益的电流环回路来实现。我们根据Compumotor公司提供的资料，分析了电机驱动器的结构，得出电机在力矩模式工作下的框图如图2-5所示。1/(Js)KIT1/(Ls+R)KeI(s) Tf + _KPWM _is _sr ir Ut(s) Ui(s) Ubmf(s) TM + Tout 图2-5 工作在力矩模式下的无刷电机驱动器结构框图Figure 2-5 diagram of servo drive in torque mode图中各量分别为：Ut(s)：力矩输入指令信号Tf：干扰力矩Ui(s)：电枢电流反馈信号is：定子（基座）摇摆
36、绝对角速度Ubmf(s)：电枢反电势ir：转子绝对角速度KPWM：电流放大函数I(s)：电流环前向通道传函sr：转子相对定子角速度 KIT：转矩系数Ke：反电势系数I(s)：电流环前向传函TM：电机电磁转矩Tout：输出转矩l 速率模式：这是传统的直流伺服电机工作的常用模式。在此工作模式下，电机的被控量是电机转子相对定子的转速。其工作的框图如图2-6 所示。Kv(s)力矩回路sr(s) Uv(s) 图2-6 工作在速率模式的电机驱动器结构示意图Figure 2-6 diagram of servo drive in velocity model 位置模式：在位置模式工作状态下，电机的输入信号是
37、脉冲输入信号形式，电机的被控量是电机转子相对定子的转角。此时整个电机相当于一个步进电机，电机没有多大的调节余地。位置模式一般用于转子相对于定子的点到点（Point to Point）开环控制 （图2-7）。Kp(z)速率回路Psr(s) Pv(z) ZOHKff(z)图 2-7 工作在位置模式的电机驱动器结构示意图Figure 2-7 diagram of servo drive in position mode伺服电机的控制模式选取是一个比较重要的问题，一般情况下，稳定的目的就是要保持环架相对惯性空间的角速度为零，从这种意义上说，速度控制是稳定系统的核心。但是，稳定的参考基准不一样，在电机的
38、速率模式下，控制量是转子相对定子的角速度，而我们实际需要控制的量是转子相对惯性空间的角速度，稳定回路的速率回路闭环不是光电编码器完成的，而是由FOG完成的。该回路并不是电机的速率控制。在这个回路里，陀螺是作为反馈的传感器，电机的控制回路配置为该速率回路的内回路，放置于速率回路的前向通道。虽然利用力矩模式时对电机的安全维护和容错处理带来不利，所以电机的控制回路还是应该采用力矩回路13。当电机工作在力矩模式时，我们对其方框图（图2-5）分析后作了如下简化。a. 电机的电流环增益相当大，电机在低速区间（0180）的机械特性又很平坦，在设计中忽略反电势系数的影响。考虑系统的窄带，忽略电机的电磁时间常数
39、。b. 电机工作在力矩模式，一般电流环带宽极宽，对于本项目使用的电机来讲，大约800Hz，而且电流环的开环静态增益KI远远大于电机反电势系数与电磁转矩的乘积KeKIT，。这使得对象模型在我们感兴趣的带宽内可简化如下，具体过程略去： （211） （212）= 0 （213） （214）可知选用力矩模式时，当基座的摇摆运动通过电机反电势耦合到回路时，电流环回路起到一个局部回路抑制作用。简化后，对象的方框图如图2-8所示。从图2-8可以看到，基座通过电机反电势耦合到系统的角速度被电流环回路隔离，电机的模型大大简化，为控制系统综合打下良好的基础。1/JsUt(s) ir KITTf +图2-8 工作在
40、力矩模式下简化后的电机框图Figure 2-8 Simplified plant diagram with motor using torque mode3. 光纤陀螺为了加快工程进度，预研工程中采用KVH公司的数字输出开环光纤陀螺Ecore2000系列。FOG是系统中最重要的元器件（传感器），由KVH公司提供的其他资料计算、并通过实际测试，可以得出：1） FOG的输出噪声。一般，FOG的输出噪声可以近似为一个带限白噪声，其方差和均方根可由资料提供的数据计算得到：在带宽BW=100Hz内，25.9108 (rad/s)2 （215）=2.4104 rad/s= （216）2） FOG的漂移受温
41、度的影响很大。在全温范围内FOG的偏置稳定性为0.4deg/s（峰峰值），所以没有经过温漂补偿的FOG是不能用的。图2-9 KVH Ecore 2000光纤陀螺零偏-温度曲线图Figure.2-9 Relation of bias vs. temperature of KVH FOG Ecore 2000光纤陀螺在系统中占有至关重要的作用，选定光纤陀螺后，在工程设计中出现的大部分问题都与光纤陀螺有关，所以需要有必要研究光纤陀螺对系统性能的影响，作进一步的分析和研究。4. 摩擦力矩所有伺服系统中摩擦力矩是一个很重要的问题。由于稳定系统工作在极低速状态，并且框架在基座角振动的影响下频繁的发生正反转
42、。由于动静摩擦的差异，摩擦力矩在系统启动时是与相对运动速度和输入指令力矩有关的不连续的非线性函数。在一定条件下，它将影响系统的低速品质，造成所谓“滞滑”的跳动效应。对于摩擦力矩的建模从简单到复杂，工程上常用的模型有四种：库伦摩擦模型(a)、库仑摩擦+粘滞摩擦模型(b)、静摩擦库仑摩擦粘滞摩擦模型(c)、Stribeck摩擦模型(d)。用图来表示如图2-10所示。图2-10 四种摩擦力矩模型Figure 2-10 four type of models for friction图2-11 带有摩擦力矩的对象模型Figure 2-11 plant model with friction torqu
43、e从上图2-11可以看到，摩擦力矩是输出轴相对角速度的函数（实际上，摩擦力矩也与输入力矩Tm有关），这个函数特性是非线性的，故摩擦力矩不仅仅是一个干扰，它作为对象特性的一部分，将对系统的性能和稳定性产生影响。对于摩擦力矩模型的应用随场合不同而不同。当定量计算摩擦力矩对系统的影响时，采用较简单的模型比较方便，但得出来的结果可能是不全面的。而分析摩擦力矩对系统稳定性和低速特性以及对摩擦力矩的影响进行仿真验证时，可采用后几种摩擦力矩模型，这样可以使分析问题更接近于实际。2.6 本章小结稳定系统的核心在于隔振。当陀螺全部安装在云台台体（内环）上，此时陀螺敏感到的角速度为台体受到干扰之后相对惯性空间的角
44、速度，这种配置就是平台式稳定方式配置；若将陀螺安装在外环，则内环轴的稳定方式为捷联式，外环轴不变，就是所谓混和式稳定系统。一般来说，混和式稳定对内环陀螺的标度因子线性度要求很高，这样势必会增加成本，很少采用。在控制系统综合之前，模型简化是重要的一步，将模型简化，有利于抓住主要矛盾，暂时忽略次要因素，并且使控制器简化，方便调试。因此，对模型简化是必要的一步。本章对云台、电机的模型进行了简化。通过分析，得知光纤陀螺需要补偿其温度特性才能用于实际应用，并且，它的许多特性将影响到系统的性能。为此，下一章将着重讨论光纤陀螺，为控制系统综合打下坚实的基础。另外，摩擦力矩是系统中一个很棘手的非线性特性，它对
45、系统特性的作用不仅仅是一个干扰，因而，当将摩擦力矩近似成一个干扰不能在满足要求时，应该考虑其动特性，采用动态补偿的方法补偿摩擦力矩的不利影响。第三章 光纤陀螺温漂补偿3.1 光纤陀螺性能指标光纤陀螺是FOGSS的关键性元件。它的精度最终决定了系统能做到的最好性能。因此，对光纤陀螺仪作细致的误差处理是很有必要的。FOG在静止状态下，其输出可以看作是一个噪声信号和一个缓慢变化的均值（零漂）信号的叠加，并且受温度和初始启动条件的影响极大。但是光纤陀螺的温度特性不是没有规律的，通过一定的补偿算法，可以大大提高其性能，从而达到应用要求。其他性能指标有：标度因子的线性度和稳定性。这两个指标在捷联稳定装置中会影响FOG的测量时的精度，一般来说，对于中低精度的光纤陀螺，这两项指标是很难提高的，所以稳定装置中较常用的稳定配置方式还是平台式稳定。对于平台式稳定，它对陀螺的基本要求就是在陀螺零转速信号的工作特性好，对标度因子没有什么苛刻的要求。分析光纤陀螺性能的主要工具是谱密度方法和Allan方差法141516。以下是光纤陀螺主要指标的简单描述，为后面温漂补偿前后陀螺性能提供一个比较的依据。1 零偏零偏指的
