负载扰动下的气球吊篮的方位稳定控制策略

于 伟，马佳光，李志俊，肖 靖

(1．中国科学院光电技术研究所，四川成都610209;2．中国科学院光束控制重点实验室，四川成都610209;3．中国科学院研究生院，北京100039;4．徐州空军学院，江苏徐州221000)

0引 言

高空气球吊篮在天文观测、气象、遥感、高能物理等科学领域有广阔的应用前景。工作过程中，气球吊篮通常吊挂在载体下方10～100 m处，绕水平轴的摆动由于有重力矩作为自稳定力矩而幅度非常小［1］。中科院北京天文台的高空气球实验中发现绕方位轴的随机转动是影响吊篮姿态稳定的主要原因［2］，所以方位控制对吊篮姿态的稳定有重要的意义。

国内对于高空气球吊篮的方位控制的研究已经取得一定进展。中国科学院紫金山天文台王楠森等人提出了用于大气层外射线研究的高空气球吊篮方向控制系统的机械结构和功能构架，观测仪器固定在俯仰轴上，吊篮带有反捻机构和反作用飞轮用于方位控制［3］。王楠森等人还提出了基于高空气球吊篮方位控制的方法，利用磁敏感器件检测方位角位置信息，利用力矩电机和反作用飞轮作为执行机构控制气球吊篮方位［4］。林宝军等人中提出了利用高空气球吊篮的方位角信息和反作用飞轮转速信息构建状态观测器，从而控制高空球载气球吊篮方位角的方法［5］。何琳琳等人对采用反作用飞轮和反捻机构的实现吊篮方位控制进行了研究，设计了一种速率控制模式下的反作用飞轮控制系统，该系统工作在方位角位置环内部，提高了执行机构的驱动能力［6-9］。

国外的气球吊篮研究多已进入实用领域。澳大利亚在20世纪90年代初放飞的用于收集太空射线的高空气球，搭载设备的吊篮可以自动回复参考位置，指向精度 ±1'［10］。1993 ～1995 年由美国空军菲力浦实验室开展的高空气球实验(HABE)，其吊篮搭载的光学跟踪设备上使用了地磁仪和陀螺测量方位角位置和角速度，但两者的控制对象是吊篮上作为负载的万向架，而不是吊篮本身［11］。意大利科学家2005年研制的高空气球吊篮，接受GPS的方位信号，通过驱动反作用飞轮，完成对吊篮的方位控制［12］。

以上的气球吊篮均采用地磁信息或卫星定位信息进行方位角检测，而地磁信息敏感系统和卫星定位信息的采样频率都比较低，分别为几十赫兹和1赫兹左右，因而其对扰动的抑制带宽都比较低。上述吊篮系统的负载都相对吊篮保持静止或具有较低的方位机动性，因而采用单一的方位角位置闭环就可以满足设计需要。而针对具有较高方位机动性和较大转动惯量的负载，负载转动相当于给气球吊篮一个较强的扰动，此时仅仅采用低采样率的单闭环控制无法保证吊篮方位稳定。

利用高采样率的角速率陀螺输出信号作为反馈，在角位置控制环内部增加高带宽的角速度控制环是光电、火炮的自动跟踪系统中常用的提高系统快速性和抗扰动能力的技术手段［13］。本文将这一技术手段引入到高空气球吊篮的方位控制系统中，增加了系统在强扰动下的方位稳定能力。

1气球吊篮的多闭环控制抗扰能力分析

某型高空气球吊篮机械结构如图1所示，吊篮和缆绳间有反捻机构，吊篮下方安装有负载，吊篮内部有采用永磁直流力矩电动机驱动的反作用飞轮作为方位控制执行机构。

常规的基于角位置反馈信息和PID算法的单闭环方位控制系统结构如图2所示。

图1 带有负载的某型气球吊篮结构示意图

图2 气球吊篮单闭环方位控制结构

设执行机构传递函数GM(s)、吊篮从控制力矩输入到角速度输出的传递函数为Go(s)、位置环控制器GPc(s)，此时扰动力矩Md到方位角速度的传递函数:

图3 气球吊篮的多闭环方位控制结构

在吊篮上安装角速率陀螺，测量吊篮的方位角速度，以之作为反馈信号构建高带宽的角速度环，就可以使吊篮的方位控制系统形成角位置加角速度双闭环控制结构，如图3所示。设角速度环控制器Gvc(s)，则增加了位置环后的扰动传递函数:

只要在设计中满足‖Gvc(s)‖＞1，即可保证:

即采用角位置+角速度双闭环结构的控制系统具有更高的扰动抑制比，随着扰动力矩频率的提高，双闭环系统的优势更加明显。此时驱动装置中如果再有飞轮速率控制环、电流环等执行机构内环，那么整个系统就构成了多闭环控制系统，抗扰性会进一步提高。

另一方面，从反馈信息的数据更新频率考虑，角位置环采用的传感器采样频率较低，一般为几赫兹到几十赫兹，因而其环路带宽有限;而角速率陀螺输出的角速度信号采样率较高，一般为几百到几千赫兹，在执行机构的性能允许的范围之内可以做出很高的带宽。

2吊篮方位控制的跟踪和抗扰动实验

针对图1的气球吊篮，采用地磁测量传感器HMR2300作为方位角位置测量器件。在吊篮上安装角速率陀螺CS-ARS-12测量吊篮方位角速度。将气球吊篮吊挂在支架上进行地面实验，主要测试吊篮对阶跃信号的跟踪性能和强扰动下的方位稳定控制能力。

由于飞轮和电机传动轴间存在齿隙特性，传动轴和飞轮转速差较大时会发生冲击，有可能损坏传动轴。另外飞轮的驱动还存在死区，驱动力矩在死区范围内时不能驱动飞轮转动。为了克服这两个特性带来的不利影响，控制输出的理论计算值和实际输出值，采用如图4所示的逻辑关系，在齿隙特性起作用的区间内实际值与理论值一致，只驱动传动轴使之与飞轮贴近，避免冲击。齿隙特性作用区间外，实际输出值比理论计算值增加一个固定值，抵消死区特性。

图4 力矩控制逻辑关系

2．1控制器的设计

利用频响仪，测量从控制器输入电压到陀螺反馈信号的系统开环速度响应频率特性。经拟合得到下面的传递函数:

在频率特性测量过程中发现，控制输入超过3 Hz时，电机转轴和齿轮之间会发生严重的碰撞冲击，影响系统安全。出于安全考虑，保守起见，将角速度环期望带宽选在2 Hz左右。设计基于PI算法的角速度环控制器Gvc，得到:

以500 Hz的采样频率实现角速度环控制器。控制器输入为给定角速度与实测角速度信号的差值。叠加控制器后，角速度控制环开环响应截止频率 2．01 Hz、相位裕度 64°。

根据闭环后系统角位置频率响应特性设计角位置环控制器GPc:

由于角位置测量环节的输入信号数据更新速率只有20 Hz，所以该控制器只能以20 Hz的频率进行工作。新的角位置控制器根据式(6)的算法实现。新旧两种控制策略的频率特性变化如图5所示。原系统角位置环控制器采用临界比例度法试凑参数得到。方位控制系统频率响应开环剪切频率0．574 Hz、相位裕度34．6°，双闭环方位控制系统后角位置频率响应开环剪切频率0．423 Hz、相位裕度72．2°。系统角位置开环频率响应特性带宽与原系统类似，但稳定裕度提高，低频增益提高，对于低频信号的跟踪精度提高。由于角速度环的带宽较高，系统抗扰动能力提高。

图5 叠加双闭环控制器前后系统角位置环频率特性

2．2阶跃响应对比实验

采用单闭环控制与采用双闭环控制时，系统阶跃响应误差曲线对比如图6所示。阶跃响应上升时间基本不变，超调由单闭环时的44%降为双闭环时的9%。系统由振荡衰减变为无振荡，到达终值的2%以内的调节时间由超过20 s，变为低于10 s。

图6 单闭环控制与双闭环控制阶跃响应误差曲线对比

2．3抗负载扰动对比实验

图7 扰动作用下单闭环与双闭环方位稳定效果对比

3结 语

高空气球吊篮在角位置单闭环控制基础上，利用高采样率的陀螺反馈角速度信号搭建角速度环构成多闭环控制系统后，其对角位置阶跃信号的跟踪能力大大提高，在搭载高方位机动性、大惯量的负载的情况下，可以更好地稳定姿态方位角。

［1］ 于伟，马佳光，刘兴法，等．柔性悬吊平台光电系统动力学分析［J］．光电工程，2010，37(2):7-15．

［2］ 叶祥明．大型球载望远镜高精度姿态控制及指向技术研究［D］．中科院博士论文，1997．

［3］ 王楠森，唐和森，宫一中，等．定向姿态控制吊篮:中国，CN2539985［P］．2003-03-12．

［4］ 王楠森，唐和森，宫一中，等．高空气球天文观测吊篮的定向姿态控制方法:中国，CN1380592［P］．2002-11-20．

［5］ 林宝军，李惕碚，薛景宣，等．球载平台控制系统状态观测器设计［J］．计算机仿真，1999，16(1):52-54．

［6］ 何琳琳，窦满锋．高空气球吊篮方位控制系统的反作用飞轮控制模式［J］．微特电机，2006，34(7):17-19．

［7］ 何琳琳，刘兆瑜，窦满锋，等．高空气球吊篮方位控制的反作用飞轮系统［J］．微特电机，2007，35(8):36-41．

［8］ 何琳琳，窦满锋．高空气球吊篮姿态控制系统的一种实现［J］．微电机，2006，34(6):77-80．

［9］ 何琳琳，窦满锋．，严静妮．高空气球吊篮的全数字反捻控制系统［J］．微特电机，2005，33(12):31-33．

［10］ Sood R，Panettieri J，Grey D．Geomagnetic field based orientation systems for balloon-borne astronomy payloads［J］．exploration geophysics，1993，24(2):99-102．

［11］ Schulthess，Lt．M，et al．Attitude control and trajectory for the High Altitude Balloon Experiment［C］//SPIE．1999，2221:590-609．

［12］ Coccoa G．Di，Basilia A，Franceschinia T，et al．HiPeG:A high performance balloon gondola for fine angular resolution X-ray telescopes［J］．advances in space research，2006，37(11):2103-2107．

［13］ 李志俊，包启亮，毛耀，等，惯性平台稳定回路多闭环串级控制［J］．光电工程，2010，37(5):19-24．