趙志明ZHAO Zhi-ming（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

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多軸聯(lián)動系統(tǒng)運(yùn)動定位與角動量平衡的研究現(xiàn)狀

趙志明
ZHAO Zhi-ming
（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

多軸聯(lián)動系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用背景是星載精密跟蹤、定位及瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，由于其特殊的在軌力學(xué)環(huán)境，它具有高精度、高強(qiáng)度和高穩(wěn)定性的要求。針對多軸聯(lián)動系統(tǒng)運(yùn)動定位與角動量平衡這一直接影響定位精度和跟蹤精度的問題，對多軸聯(lián)動機(jī)構(gòu)用于典型跟蹤設(shè)備的研究、多軸聯(lián)動系統(tǒng)動力學(xué)建模及仿真的研究、摩擦因素參數(shù)識別及控制的研究及搭載于移動平臺上的多軸聯(lián)動系統(tǒng)角動量平衡研究等四方面進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述。結(jié)論：開展多軸聯(lián)動系統(tǒng)運(yùn)動定位與角動量平衡的機(jī)理及試驗(yàn)研究可形成天基多軸聯(lián)動系統(tǒng)多場耦合模型及其諧振特性分析方法、提供提高定位精度及動力穩(wěn)定性的理論分析方法及試驗(yàn)技術(shù)，具有應(yīng)用前景和重要的工程價(jià)值。

多軸聯(lián)動系統(tǒng)；運(yùn)動控制；角動量平衡；摩擦動力學(xué)

0　引言

多軸聯(lián)動系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用背景是星載精密跟蹤、定位及瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，它是星載ATP（Acquiring，Tracking，Pointing）平臺的關(guān)鍵組成，主要用于搭載相關(guān)探測器，實(shí)現(xiàn)對空間及地面目標(biāo)的掃描、捕獲、跟蹤探測的星載運(yùn)動平臺?？臻g目標(biāo)探測對相關(guān)載荷的探測性能要求越來越高，全天候、全天時(shí)、全天域信息獲取為發(fā)展目標(biāo)的空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)，是奪取空間信息權(quán)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)空間攻防能力的基本信息保障。隨著外太空技術(shù)的不斷發(fā)展，以及星載靶場的建設(shè)，星載目標(biāo)探測及空間打擊武器是未來發(fā)展的趨勢，星載ATP平臺技術(shù)勢必將作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)廣泛應(yīng)用于未來航天發(fā)展。因此，對于其關(guān)鍵核心展開技術(shù)攻關(guān)，從理論基礎(chǔ)及實(shí)踐應(yīng)用角度進(jìn)行多方面論證是完全必要的。而由于空間特殊的力學(xué)條件，當(dāng)多自由度轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動時(shí)勢必會影響到衛(wèi)星平臺的姿態(tài)，而導(dǎo)致任務(wù)失敗甚至系統(tǒng)損壞。因此，從設(shè)計(jì)初期就必須對其動力學(xué)特性進(jìn)行研究，從而優(yōu)化控制方式及機(jī)電耦合形式。因此，對星載多軸跟蹤系統(tǒng)的動力學(xué)及精度控制開展專項(xiàng)研究對于工程實(shí)施是必要的。

多軸聯(lián)動系統(tǒng)的研究具有科學(xué)意義，主要瞄準(zhǔn)兩個(gè)科學(xué)問題。第一個(gè)科學(xué)問題：多軸聯(lián)動系統(tǒng)機(jī)電磁耦合模型及隨動定位機(jī)理。這個(gè)科學(xué)問題是面向多軸聯(lián)動系統(tǒng)的高精度需求的，系統(tǒng)精度的提高由于時(shí)變摩擦模型和多場耦合模型等客觀因素的認(rèn)識不足而受到制約。明確研究多軸聯(lián)動統(tǒng)在復(fù)雜多變工況下的隨動定位機(jī)理，其目標(biāo)是集中指向應(yīng)用于星載、機(jī)載及艦載等條件下的多軸聯(lián)動系統(tǒng)隨動精度及精度保持性命題。第二個(gè)科學(xué)問題：天基多軸系統(tǒng)角動量平衡機(jī)理及相似試驗(yàn)方法。這個(gè)科學(xué)問題是由天基多軸聯(lián)動系統(tǒng)的高動力穩(wěn)定性需求驅(qū)動的。多軸聯(lián)動系統(tǒng)在星載、機(jī)載及艦載條件下，其動力穩(wěn)定性低嚴(yán)重制約指向精度的提高，由此產(chǎn)生的抖顫問題嚴(yán)重影響平臺的正常運(yùn)行，尤其是星載條件下的惡劣影響有時(shí)是致命的。明確研究天基多軸聯(lián)動系統(tǒng)的角動量平衡機(jī)理，并提出相應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)方法，前者是指向系統(tǒng)的動力穩(wěn)定性，以提供平衡理論和方法；后者所涉及的先進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)是前者研究工作的強(qiáng)有力補(bǔ)充和理論完善。兩者共同定位于提高天基多軸聯(lián)動系統(tǒng)的動力穩(wěn)定性。

上述科學(xué)問題的解決或階段研究成果是有應(yīng)用前景的：可以直接用于星載二維轉(zhuǎn)臺，改善跟蹤準(zhǔn)確性和跟蹤穩(wěn)定性等運(yùn)行性能；同時(shí)對于艦載、機(jī)載精密瞄準(zhǔn)、跟蹤及測量裝備也具有應(yīng)用前景；研究緊盯國際上新進(jìn)的ISPs（Inertially Stabilized Platforms）這一具有戰(zhàn)略意義的研究工作，有望補(bǔ)充空間在軌飛行器有效載荷的可靠性方面的理論方法及地面試驗(yàn)技術(shù)。

1　多軸聯(lián)動機(jī)構(gòu)用于典型跟蹤設(shè)備的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

多軸聯(lián)動系統(tǒng)是各種跟蹤設(shè)備的主體功能部件（如圖1所示），其精度直接影響跟蹤設(shè)備的工作精度。通常，跟蹤設(shè)備用來對預(yù)定或隨機(jī)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和測量。目前應(yīng)用于地面、航空和航天的跟蹤設(shè)備，無論是民用的還是軍用的，都采用通用的滾動軸承或滑動軸承作為主支承部件，支承部件的摩擦學(xué)性能關(guān)系到跟蹤系統(tǒng)的精度。地面的跟蹤設(shè)備發(fā)展比較完善，但機(jī)載、艦載和星載跟蹤設(shè)備上存在一定的問題，重點(diǎn)是對低速目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)跟蹤。因?yàn)樵诘退俑檿r(shí)，軸系軸承的啟動力矩和運(yùn)轉(zhuǎn)力矩波動大，加之摩擦力矩的非線性，使得控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)的跟蹤。目前搭載于移動平臺上的跟蹤設(shè)備在結(jié)構(gòu)、控制及精度保持等方面存在諸多問題亟需解決。

航空用跟蹤設(shè)備多數(shù)是搭載在飛機(jī)底部的吊艙中。在飛行過程中對地面或空中目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和測量。存在的最大問題是跟蹤穩(wěn)定性差，主要是由飛機(jī)的振動對跟蹤設(shè)備的影響造成的。在航天方面，空間衛(wèi)星上搭載的跟蹤設(shè)備包括太陽帆板、通信天線、擺鏡和跟蹤轉(zhuǎn)臺等。這類設(shè)備對跟蹤指向精度的要求從幾度到幾個(gè)微弧度。目前空間環(huán)境的跟蹤系統(tǒng)支承方式仍然采用通用軸承支承?？臻g應(yīng)用的二維轉(zhuǎn)臺作為非合作目標(biāo)探測、光通訊等的平臺，在國外空間應(yīng)用中日益得到重視。

國際上空間跟蹤轉(zhuǎn)臺已成功應(yīng)用于空間光通信等多個(gè)領(lǐng)域。ARTEMIS是ESA于2001年6月12日發(fā)射的一顆用于空間光通信的載荷衛(wèi)星，其捕獲、跟蹤、指向及通信載荷稱為SILEX。SILEX中二維轉(zhuǎn)臺主要有以下技術(shù)特點(diǎn)：二維轉(zhuǎn)臺整體采用“L”型框架；軸系選用輕薄角接觸球軸承；通過施加預(yù)緊力，使軸承具有一定剛度；軸系支撐框架選用碳纖維強(qiáng)化塑料，支撐架材料選用鈹金屬；軸承采用液體潤滑方式。日本OICETS （Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite）是2005年8月24日發(fā)射的，用于空間光通信的測試衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)兩顆衛(wèi)星間的相互軌道通信，星上載有名為LUCE的帶有空間捕獲、跟蹤及指向機(jī)構(gòu)的激光通信載荷。LUCE轉(zhuǎn)臺整體采用U型框架，軸系選用角接觸球軸承和深溝球軸承組合方式；通過施加一定的預(yù)緊力，使軸承具有一定剛度；軸系支撐材料選用鋁合金和碳纖維增強(qiáng)塑料CFRP。

圖1　多軸聯(lián)動機(jī)構(gòu)用于典型跟蹤系統(tǒng)

由上述事實(shí)可以看出，這些當(dāng)前的空間應(yīng)用的跟蹤設(shè)備中主要還是采用滾動軸承支承，隨之而來的摩擦問題是亟待解決的關(guān)鍵，存在的問題如下：預(yù)緊的配對軸承的溫度適應(yīng)性能力差，當(dāng)軸承的內(nèi)外圈溫度梯度較大時(shí)，軸承的摩擦力矩會超過驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動力矩，造成“卡死”現(xiàn)象；由于空間的低溫和高真空環(huán)境，軸承如果潤滑不當(dāng)會出現(xiàn)冷焊，軸承無法工作；在低速跟蹤時(shí)，固體潤滑軸承的摩擦力矩波動大，難以滿足跟蹤穩(wěn)定度的要求；跟蹤設(shè)備難以消除由平臺帶來的抖動。這些故障都會使設(shè)備無法完成既定的任務(wù)，導(dǎo)致整個(gè)有效載荷失效而無法工作。

因此，緊扣多軸聯(lián)動系統(tǒng)的精度及精度保持性問題，針對上述摩擦副的摩擦學(xué)難題，嘗試在定位精度及定位機(jī)理方面拓展研究。由于多軸聯(lián)動系統(tǒng)的定位精度受到摩擦力（距），尤其是系統(tǒng)摩擦行為的時(shí)變性及多場多因素耦合的復(fù)雜性使得系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)行為及精度控制存在亟待解決的難題。定位機(jī)理及其相關(guān)規(guī)律的系統(tǒng)研究有望提高多軸聯(lián)動系統(tǒng)的定位精度。

2　多軸聯(lián)動系統(tǒng)動力學(xué)建模及仿真的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

多軸聯(lián)動系統(tǒng)的動力穩(wěn)定性是一個(gè)值得關(guān)注的難題，而建立恰當(dāng)?shù)哪Ｐ褪茄芯康母尽鴥?nèi)外有相關(guān)文獻(xiàn)闡述多軸系統(tǒng)動力學(xué)模型。從文獻(xiàn)來看建立動力學(xué)數(shù)學(xué)模型主要有三種方法：歐拉方程結(jié)合電機(jī)理論、拉格朗日方程結(jié)合電機(jī)理論和Lagrange-Maxwell機(jī)電耦合動力學(xué)方法。上述三種方法是建立多軸系統(tǒng)動力學(xué)方程的主要途徑，哈密頓方程和kane方法則較少應(yīng)用。多體動力學(xué)中牛頓-歐拉方程，能夠清晰的表明各個(gè)體的受力情況，且形式程式化，適合計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。因此利用牛頓-歐拉方程與電機(jī)理論相結(jié)合建立多軸系統(tǒng)動力學(xué)模型具有一定的優(yōu)勢。國內(nèi)諸多文獻(xiàn)［1～4］利用此種方法對多軸系統(tǒng)進(jìn)行建模。拉格朗日方程則從能量的角度通過偏微分處理求得動力學(xué)微分方程。與歐拉方程相比，可以不必深究各個(gè)約束間的作用力及反作用力，簡化了求解過程。文獻(xiàn)［5，6］對利用拉格朗日方程建立多軸系統(tǒng)動力學(xué)微分方程進(jìn)行了嘗試和研究。

值得一提的是多軸系統(tǒng)是典型的機(jī)電耦聯(lián)系統(tǒng)，建模過程中需綜合考慮多場耦合及多因素耦合問題。Maxwell第一次用拉格朗日方程描述機(jī)電耦聯(lián)系統(tǒng)的動力學(xué)問題，用統(tǒng)一的觀點(diǎn)描述系統(tǒng)，即拉格朗日-麥克斯韋方程。文獻(xiàn)［7，8］采用Lagrange-Maxwelll方程建立多軸系統(tǒng)動力學(xué)方程的研究表明此種方法將機(jī)械和電磁部分統(tǒng)一起來，能夠有效的從能量的角度描述系統(tǒng)。

多軸系統(tǒng)在建模過程一般為了更具一般性，常常將一些干擾因素省略。但是，當(dāng)這些干擾因素表現(xiàn)得特別突出時(shí)就不能忽略它們。對低速運(yùn)行的多軸系統(tǒng)來說，低速摩擦力矩是影響轉(zhuǎn)臺低速性能的最主要因素。由于摩擦模型的不確定性，要建立轉(zhuǎn)臺正確的摩擦數(shù)學(xué)模型將非常困難，在工程中往往采用基于非模型的補(bǔ)償控制方式來降低摩擦力矩的影響。文獻(xiàn)［9］從理論上研究了影響低速性能的因素，主要是摩擦力矩等對低速跟蹤精度和平穩(wěn)性的影并通過設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器結(jié)合具體模型進(jìn)行仿真。文獻(xiàn)［10］也研究了影響轉(zhuǎn)臺低速性能的因素，對摩擦力矩進(jìn)行分析仿真。

而針對高速多軸系統(tǒng)而言，陀螺效應(yīng)是影響其性能的重要因素。多軸系統(tǒng)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，陀螺效應(yīng)相當(dāng)于給軸系的支撐附加一個(gè)主動力，這是必須進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。因此在建立高速多軸系統(tǒng)動力學(xué)微分方程時(shí)，不能忽略方程中的速度耦合項(xiàng)作用。特別需要指出的是，當(dāng)處于低速運(yùn)行時(shí)，如果其每個(gè)軸配有平衡輪裝置，那么由于平衡輪的高速與軸本身的低速轉(zhuǎn)動同樣也會引起陀螺效應(yīng)，而且在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)陀螺效應(yīng)是不能忽略的。綜上所述，多軸在運(yùn)行過程中摩擦力矩和陀螺效應(yīng)的干擾作用在一定的范圍內(nèi)是不可以忽略的，必須在所建立的動力學(xué)方程中詳加分析。

電機(jī)在某些情況下會受到電磁輻射的嚴(yán)重干擾，對系統(tǒng)的運(yùn)行十分不利，其擾動效果也應(yīng)計(jì)入動力學(xué)模型中。文獻(xiàn)［11］針對這一缺陷，研究了全液壓馬達(dá)驅(qū)動多軸系統(tǒng)達(dá)到了要求的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。同時(shí)也指出了液壓馬達(dá)可能會存在輕度漏油、摩擦力不平衡等問題。由此可見，在特殊情況下多軸系統(tǒng)即為機(jī)電液一體化產(chǎn)品，建立其合理的機(jī)電液耦合動力學(xué)方程具有重要意義。

上述分析表明，多軸聯(lián)動系統(tǒng)的動力學(xué)問題有一定的研究基礎(chǔ)，且大多數(shù)指向地面跟蹤設(shè)備的動力學(xué)問題。然而，當(dāng)多軸聯(lián)動系統(tǒng)搭載于移動平臺時(shí)其動力學(xué)行為將受到移動平臺的影響，且會反過來影響移動平臺。在這方面開展深入研究，重點(diǎn)是聯(lián)動系統(tǒng)的機(jī)電、剛?cè)狁詈戏治龇椒斑\(yùn)動學(xué)模型。

3　摩擦因素建模、參數(shù)識別及控制的研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)

關(guān)系多軸聯(lián)動系統(tǒng)定位精度和動力穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素是摩擦，因此有必要對涉及到的摩擦建模、參數(shù)識別及控制問題進(jìn)行研究。關(guān)于機(jī)械系統(tǒng)的摩擦學(xué)特性研究，文獻(xiàn)［12］做了詳細(xì)的綜述，全面的綜述了機(jī)械系統(tǒng)摩擦力模型、分析工具及補(bǔ)償控制，引用了包含摩擦學(xué)、潤滑理論和控制等方面的諸多文獻(xiàn)。文獻(xiàn)同時(shí)指出，對機(jī)械系統(tǒng)摩擦學(xué)特性的分析主要應(yīng)用對象為機(jī)床、機(jī)器人、轉(zhuǎn)臺、望遠(yuǎn)鏡及軍事瞄準(zhǔn)等領(lǐng)域（Machine tool，Robotics，Gimbals，Telescopes，Military Pointing），它們共同的特點(diǎn)就是“跟蹤”，具體來說可以分為速度換向時(shí)的跟蹤、低速跟蹤和高速跟蹤等幾個(gè)方面。此后，國內(nèi)外諸多文獻(xiàn)對精密運(yùn)動系統(tǒng)的摩擦力開展研究，尤其是1995年提出了LuGre模型，為摩擦的研究提供了新的合理的模型。對低速摩擦補(bǔ)償［13，14］和摩擦引起的極限環(huán)［15，16］也有了較全面的研究。

機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域摩擦學(xué)的文獻(xiàn)雖多，但是針對多軸系統(tǒng)的摩擦學(xué)研究國內(nèi)外研究論文并不多，對于用于特殊工況的多軸系統(tǒng)研究更少。文獻(xiàn)［17，18］針對慣性平衡系統(tǒng)中的多軸裝置，主要考慮其摩擦力矩的時(shí)變性和不確定性的特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了self-turning控制器和基于一階隨機(jī)微分方程的線性二次高斯算法實(shí)時(shí)估計(jì)和補(bǔ)償不確定性摩擦力。文獻(xiàn)［19］針對多軸剛體機(jī)構(gòu)運(yùn)動的庫侖摩擦耦合特性，得出摩擦的存在使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。除了摩擦模型分析及摩擦補(bǔ)償外，摩擦參數(shù)識別［20，21］也是一個(gè)重要的研究內(nèi)容，文獻(xiàn)［22，23］采用支持向量機(jī)作為摩擦力參數(shù)辨識的手段。最近在多軸系統(tǒng)摩擦力研究方面，文獻(xiàn)［24］以單自由度機(jī)電系統(tǒng)為對象，深入研究了摩擦力控制的欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償對靜態(tài)誤差和極限環(huán)的影響作用；而文獻(xiàn)［25］則針對多自由度指向系統(tǒng)詳細(xì)闡述了在低速區(qū)系統(tǒng)極限環(huán)的分析方法，提出了一種預(yù)測極限環(huán)的線性分析手段；文獻(xiàn)［26］針對多軸系統(tǒng)從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面對摩擦特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究并發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象，這些尚待進(jìn)一步的理論分析及相關(guān)研究的深入開展。文獻(xiàn)［27，28］從摩擦學(xué)與動力學(xué)耦合建模與摩擦補(bǔ)償?shù)确矫嫜芯苛四Σ翆Χ噍S系統(tǒng)運(yùn)動精度的影響。

多軸系統(tǒng)如多軸轉(zhuǎn)臺，在設(shè)計(jì)中有較高的動、靜態(tài)性能指標(biāo)，如快速響應(yīng)、高跟蹤精度等。同時(shí)在運(yùn)行過程中，涉及到多軸耦合往往需要對其進(jìn)行解耦控制達(dá)到一對一的控制目的。因此控制策略的研究和控制器的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

PID控制是經(jīng)典的控制方法，由于其容易實(shí)現(xiàn)在工程中被廣泛使用。而單純的PID控制在效果上很難達(dá)到要求，因此文獻(xiàn)［6］采用非線性的PID算法與自適應(yīng)算法相結(jié)合的混和控制策略對多軸系統(tǒng)進(jìn)行控制，在誤差較大時(shí)PID起主要作用，誤差較小時(shí)候，自適應(yīng)算法起主要作用。

采用多種控制策略相結(jié)合則能夠取得更好的結(jié)果。文獻(xiàn)［29］描述了多軸系統(tǒng)動力學(xué)模型在HILS（hardwarein-the-loop simulation）中的應(yīng)用實(shí)例，在建立了包括電機(jī)在內(nèi)的完整機(jī)電動力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，利用魯棒自適應(yīng)控制理論對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)出控制器應(yīng)用于計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)中。通過仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，以及應(yīng)用不同控制策略的結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明三軸仿真系統(tǒng)在多動態(tài)干擾的情況下能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地跟蹤預(yù)定的軌跡。文獻(xiàn)［30］以提高帶負(fù)載的多軸系統(tǒng)運(yùn)動穩(wěn)定性為目的，基于非線性傳統(tǒng)控制和非線性滑塊控制，提出了離散滑塊輸出跟蹤（穩(wěn)定）控制策略，通過仿真證明了采用新的控制策略兼有以上所提兩種控制策略的優(yōu)點(diǎn)和方便性。設(shè)計(jì)的新的控制器成功實(shí)現(xiàn)其在Russia wing missiles的慣性平臺中的應(yīng)用。文獻(xiàn)［31］通過對剛性、慣性對稱飛行器的三軸姿態(tài)研究，提出了將最優(yōu)時(shí)間控制策略應(yīng)用于三軸的姿態(tài)控制中。

解耦控制是多軸系統(tǒng)控制中的重要一個(gè)方面，如果能對耦合的多軸進(jìn)行解耦控制，則可以在工程應(yīng)用中取得更好的效果。文獻(xiàn)［32］介紹了一種多軸仿真器，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)方法對所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了解耦控制，給出了具體的仿真圖形并進(jìn)行了分析。仿真證明按照上述解耦理論所設(shè)計(jì)的控制器在多軸仿真平臺的應(yīng)用中是有效的。劉延斌等［5］提出了一種二階系統(tǒng)反饋解耦控制方法，利用該控制方法設(shè)計(jì)了多軸仿真轉(zhuǎn)臺的解耦控制器。車雙良［33］提出了一種基于解耦的自適應(yīng)模糊變結(jié)構(gòu)控制策略。而文獻(xiàn)［4］根據(jù)魯棒補(bǔ)償器思想，提出采用動態(tài)魯棒補(bǔ)償解耦控制器進(jìn)行解耦。

除了研究多軸系統(tǒng)的控制策略外，其控制器的具體實(shí)現(xiàn)離不開硬件電路。文獻(xiàn)［34］對轉(zhuǎn)臺控制器的總體設(shè)計(jì)和硬件電路的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。介紹了轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的配置，電路的模塊化、功能化和多樣化等。文獻(xiàn)［35］介紹了多軸系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)，文中采用集散式總體控制機(jī)制，以上下位機(jī)構(gòu)成兩級控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分散直接控制和集中綜合監(jiān)控管理功能。

上述研究對于研究用于多軸系統(tǒng)的平衡與定位動態(tài)控制問題，具有較好的參考價(jià)值。但是如何得到適合于典型平衡與定位功能組件的控制策略，如何設(shè)計(jì)好適合非典型運(yùn)行條件的控制器，這正是進(jìn)一步研究工作的目的所在。

4　搭載于移動平臺上的多軸聯(lián)動系統(tǒng)角動量平衡研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

搭載于船舶、飛機(jī)及航天器上的多軸系統(tǒng)，其運(yùn)動時(shí)對外輸出的角動量會影響到搭載平臺的運(yùn)動姿態(tài)。例如對于搭載于微小衛(wèi)星上的二軸系統(tǒng)，由于微小衛(wèi)星平臺整體處于微重力狀態(tài)下，系統(tǒng)內(nèi)部動量基本保持平衡；當(dāng)多軸跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動時(shí)其對外輸出的角動量勢必影響到衛(wèi)星姿態(tài)，尤其是對于多軸機(jī)構(gòu)與搭載平臺質(zhì)量相當(dāng)或相差不大時(shí)，就會影響到搭載平臺的正常工作，給平臺的姿態(tài)控制帶來很大的麻煩。因此多軸轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)自身需要具備角動量平衡功能。

動量平衡技術(shù)在能源機(jī)械、工程機(jī)械及航天航空中具有較多的應(yīng)用。一方面，不平衡會給系統(tǒng)在運(yùn)行過程中帶來較大的振動和噪聲；另一方面，在運(yùn)動基座的系統(tǒng)中，動量不平衡則會給通過基座傳遞到載體本身，對其造成一定的影響，嚴(yán)重時(shí)則完全破壞載體的運(yùn)行姿態(tài)；對多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)而言，載體的姿態(tài)頻繁變化通過基座反作用于系統(tǒng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。動量平衡一般有兩種主要途徑，一種是依賴系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)的工作狀態(tài)，或稱為動平衡技術(shù)；另一種是為系統(tǒng)附加額外的動量平衡系統(tǒng)，如平衡輪裝置、氣動平衡裝置及液壓平衡裝置等。而平衡輪或反作用輪是航天航空中應(yīng)用最多的動量平衡裝置。

為了保證多軸系統(tǒng)的干擾力矩輸出控制在搭載平臺的可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，在系統(tǒng)的多個(gè)轉(zhuǎn)動軸上安裝反作用輪，用來平衡多軸系統(tǒng)頻繁換向工作時(shí)的反作用力矩。此時(shí)系統(tǒng)具有動量平衡能力，可以實(shí)現(xiàn)角動量的自平衡。即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的微力矩輸出，大幅度減小甚至消除對搭載平臺的影響。以二軸系統(tǒng)來說，可以分別在正交的兩個(gè)轉(zhuǎn)動軸上安裝反作用輪，分別用電機(jī)驅(qū)動。由于兩反作用輪的轉(zhuǎn)動主軸分別與多軸系統(tǒng)的兩軸重合，且兩反作用輪轉(zhuǎn)軸正交，可以起到平衡角動量的作用。

在動量平衡方面?zhèn)戎赜趦蓚€(gè)方面研究：一是闡明多軸系統(tǒng)機(jī)電諧振規(guī)律以避免給移動平臺帶來過大擾動；二是研究角動量平衡技術(shù)以降低擾動。上述研究并輔以試驗(yàn)驗(yàn)證，有望構(gòu)成天基多軸聯(lián)動系統(tǒng)平衡的機(jī)理。

5　結(jié)束語

前面從四個(gè)方面對國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，都有各自的小結(jié)，側(cè)重在于存在的問題及可開展的研究點(diǎn)。此處給出上述分析得到的多軸聯(lián)動系統(tǒng)研究的科學(xué)價(jià)值和工程意義。研究的科學(xué)意義在于適應(yīng)相關(guān)學(xué)科發(fā)展趨勢、促進(jìn)學(xué)科交叉融合并有一定前瞻性質(zhì)。以星載精密跟蹤、定位及瞄準(zhǔn)系統(tǒng)為研究背景，從時(shí)變摩擦學(xué)行為、機(jī)電磁多場耦合模型、角動量平衡方法及試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)等方面研究多軸聯(lián)動系統(tǒng)的運(yùn)動精度及動力穩(wěn)定性問題。目的在于揭示多軸聯(lián)動系統(tǒng)摩擦行為的時(shí)變規(guī)律及其與運(yùn)動精度的關(guān)系，建立天基多軸聯(lián)動系統(tǒng)多場耦合模型及其諧振特性分析方法，可提供一套提高定位精度及動力穩(wěn)定性的理論分析方法及試驗(yàn)技術(shù)。研究有望獲得的研究成果是可以直接用于星載二軸轉(zhuǎn)臺，改善跟蹤準(zhǔn)確性和跟蹤穩(wěn)定性等運(yùn)行性能；同時(shí)對于艦載、機(jī)載精密瞄準(zhǔn)、跟蹤及測量裝備也具有應(yīng)用前景，具有重要的工程價(jià)值。

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Review of precision motion pointing and angular momentum balancing for multi-axis system

TH745

A

1009-0134（2016）06-0018-05

2015-11-12

國家自然科學(xué)基金（51305246）；陜西科技大學(xué)博士啟動基金（BJ13-07）；陜西省教育廳專項(xiàng)研究（14JK1107）

趙志明（1981 -），男，山東威海人，講師，工學(xué)博士，研究方向?yàn)檗D(zhuǎn)子動力學(xué)、運(yùn)動控制和旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷。