CN103411482A - 基于虚拟速度内环的双闭环电锁回路控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于导引头系统电锁控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟速度内环的双闭环电锁回路控制方法。与现有技术相比较，本发明技术方案提供的速度内环能够削弱被速度内环包围的电机参数及摩擦、间隙等非线性影响，起到稳定特性以及改善线性度的作用。通过设置虚拟速度内环来代替安装框架测速传感器，从而能够获得良好的伺服刚度并保证随动电锁控制性能。

Description

基于虚拟速度内环的双闭环电锁回路控制方法

技术领域

本发明属于导引头系统电锁控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟速度内环的双闭环电锁回路控制方法。

背景技术

导引头的主要作用是跟踪目标，测量目标运动信息，送给弹上控制系统使其按照预定的制导规律控制导弹攻击目标。

电锁控制功能是导引头的重要控制功能，主要用于导引头框架的角位置锁定控制。由于结构限制，导引头框架内一般没有安装框架测速传感器，电锁回路一般没有速度内环，难以获得很好的伺服刚度保证随动电锁性能。

由于某型导弹的头部尺寸小，跟踪角范围大，导引头采用前下视一体化航向、俯仰两轴直接稳像，通过光路切换机构完成导引头前视视场和下视视场的切换。切换机构的主要功能为：在下视景象匹配工作时，导引头框架锁定在零位，将下视镜头切换到光路中，前视光路被遮挡，实现下视系统成像功能；前下视系统交班时，导引头框架锁定在零位，将下视镜头移出下视光路，前视光路导通，前视系统开始工作。因此，在该型导引头设计时，光路切换功能的实现对电锁回路的性能提出了更改的要求。

如图1所示，为现有技术中较为常用的单位置环电锁回路控制方案，其具体的实施过程为：步骤1：导引装置指定输入角位置指令，利用给定的角位置指令和电位器测量的框架角位置信号相减，计算出位置控制偏差；步骤2：将位置控制偏差输入至位置回路控制器，经过控制算法后输出电机控制量至电机，电机转动至指定角位置；步骤3：电机转动角速度经过积分后为角位置信息，通过电位器测量，得到角位置信息。

根据实际应用，该方案无法满足电锁回路的性能要求，如何进一步保证随动电锁控制性能的质量指标，成为新的研究需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提高电锁回路控制方案的稳定特性并改善线性度，如何获得良好的伺服刚度以保证随动电锁控制性能。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于虚拟速度内环的双闭环电锁回路控制方法，所述控制方法基于双闭环电锁回路控制系统来实施，所述控制系统包括：位置回路控制器、速度回路控制器、电机、积分器、电位器、跟踪微分器；所述位置回路控制器、速度回路控制器、电机、积分器、电位器依次串联构成位置控制回环；所述电位器的输出端口还连接跟踪微分器的输入端口；所述跟踪微分器的输出端口连接速度回路控制器的输入端口；所述电位器、跟踪微分器、速度回路控制器、电机、积分器构成虚拟速度回环；

所述控制方法包括：

步骤S1：导引装置指定输入角位置指令，利用所输入的角位置指令和当前状态下电位器测量的框架角位置信号相减，获取位置控制偏差；

步骤S2：将位置控制偏差输入至所述位置回路控制器，经过位置回路控制器后的输出作为虚拟速度回环的一路输入；

步骤S3：将所述电位器测量的框架角位置信号经过跟踪微分器的跟踪微分运算后输出作为测量到的框架角速度信号，该测量到的框架角速度信号作为虚拟速度回环的另一路输入；

步骤S4：利用步骤S2得到的一路输入和步骤S3得到的另一路输出，将两者相减，计算得到速度控制偏差；

步骤S5：将所述速度控制偏差输入速度回路控制器，经过速度回路控制器后输出电机控制量至电机，电机转动至指定角位置；

步骤S6：电机转动角速度经过积分后为角位置信息，先通过电位器测量，然后一路反馈测量的框架角位置信号用以重复步骤S1，另一路反馈测量的框架角位置信号至跟踪微分器用以重复步骤S3。

其中，所述跟踪微分器为非线性离散跟踪微分器，其所实施的跟踪微分运算方法基于下述公式(1)进行：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1(k+1)=x_1\left(k\right)+h*x_2\left(k\right)\\ x_2(k+1)=x_2\left(k\right)+h*\mathrm{fst}(x_1\left(k\right)-v\left(k\right),x_2\left(k\right),r,h_1)\end{array}---\left(1\right)\right.$

v(k)：电位器输出的框架角位置信号；

x₁(k)：输出经过滤波后的框架角位置信号；

x₂(k)：输出框架角速度信号；

h：积分步长，由硬件系统的处理速度决定的，一般无法调节；

fst：非线性最速性函数，用于快速估计角速度信号；其具体表达式为：

fst(x₁(k)-v(k)，x₂(k)，r，h₁)＝-r*sat(g(k)，δ)

$\mathrm{sat}(g\left(k\right),\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sign}\left(g\left(k\right)\right)& \left|g\left(x\right)\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}\\ g\left(k\right)/\mathrm{\&delta;}& \left|g\left(x\right)\right|<\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

$g\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{x}_2\left(k\right)+\mathrm{sign}\left(y\left(k\right)\right)\&times;& \\ \frac{\sqrt{8r\left|y\left(k\right)\right|+{\mathrm{\&delta;}}^2}-\mathrm{\&delta;}}{2}& \left|y\left(k\right)\right|\&GreaterEqual;{\mathrm{\&delta;}}_1\\ x_2\left(k\right)+y\left(k\right)/h_1& \left|y\left(k\right)\right|<{\mathrm{\&delta;}}_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

δ＝h₁r，δ₁＝h₁δ，e(k)＝-r*sat(g(k)，δ)

y(k)＝e(k)+h₁*x₂(k)

其中，

sat：饱和函数，用于在|g(x)|≥δ和|g(x)|＜δ时选择不同的算法；

g(k)：开关函数，用于在|y(k)|≥δ₁和|y(k)|＜δ₁时选择不同的算法；

δ、δ₁、e(k)：计算过程中间变量；

r：用于决定跟踪电位器信号快慢的快速性系数；

h₁：滤波系数，用于使提取的速度信号获得很好的滤波效果。

其中，在输出角速度信号噪声低于0.1°/s，带宽高于40hz的约束条件下，所述跟踪微分器的滤波系数为0.01，所述快速性系数为6000。

其中，所述电位器为导电塑料电位器。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明技术方案提供的速度内环能够削弱被速度内环包围的电机参数及摩擦、间隙等非线性影响，起到稳定特性以及改善线性度的作用。通过设置虚拟速度内环来代替安装框架测速传感器，从而能够获得良好的伺服刚度并保证随动电锁控制性能。

附图说明

图1为现有技术中单位置环电锁回路控制方案框图。

图2为本发明技术方案的基于虚拟速度内环的双闭环电锁回路控制方案框图。

图3为本发明技术方案实施后电锁回路控制性能对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明技术方案中，导引装置安装测角传感器作为框架角位置传感器。常用的测角传感器是电位器，电位器结构简单，价格低廉，性能稳定等特点。本发明选择导电塑料电位器实现框架角位置测量，电位器与传动轴的耦合采用齿轮传动，传动比根据电位器的线性范围和精度要求确定，定为1∶5，电位器线性度误差为0.3％，。通过随动电路板中AD采样芯片AD7656将电位器测量的框架角位置电压值采集至随动控制芯片TMS320F2812，利用数学算法将采集的框架角位置值解算出框架角速度信号，构建基于速度内回路的双闭环电锁控制回路。

解决方法是：在进行理论分析和调研的基础上，导引装置安装导电塑料电位器，利用框架角位置信息，采用跟踪微分器算法，数学解算出框架角速度信号。跟踪微分器算法中需要调整的系数包括快速性系数和滤波系数。快速性系数决定输出框架角速度信号的带宽，滤波系数决定输出框架角速度信号的滤波效果。在输出角速度信号噪声低于0.1°/s，带宽高于40hz的约束条件下，调试得到跟踪微分器滤波系数等于0.01，快速性系数等于6000。根据输出角速度信号构建速度控制内环，速度控制回路带宽大于20hz，在速度内回路基础上构建电锁回路，电锁控制回路带宽大于4hz。

跟踪微分器算法是一种非线性离散跟踪微分器，能够快速、无超调、无颤振地跟踪输入信号，同时得到品质优良的微分信号提取速度信号，算法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1(k+1)=x_1\left(k\right)+h*x_2\left(k\right)\\ x_2(k+1)=x_2\left(k\right)+h*\mathrm{fst}(x_1\left(k\right)-v\left(k\right),x_2\left(k\right),r,h_1)\end{array}---\left(1\right)\right.$

v(k)：电位器输出的框架角位置信号；

x₁(k)：输出经过滤波后的框架角位置信号；

x₂(k)：输出框架角速度信号；其中，输入电位器信号为v(k)，输出两个信号x₁(k)和x₂(k)。其中，x₁(k)能跟踪输入电位器信号v(k)，x₂(k)为对x₁(k)的微分；

h：积分步长，由系统的处理速度决定的，一般无法调节；

fst：非线性最速性函数，或称为韩氏最速综合函数，用于快速估计角速度信号；fst为构建的快速跟踪函数，用于快速、准确估计速度信号，有开关型、线性、非线性最速性等多种形式。这里使用非线性最速性函数形式，该方法是在深入研究二阶系统最速控制基础上推导得到的。

具体表达式为：

fst(x₁(k)-v(k)，x₂(k)，r，h₁)＝-r*sat(g(k0，δ)

$\mathrm{sat}(g\left(k\right),\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sign}\left(g\left(k\right)\right)& \left|g\left(x\right)\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}\\ g\left(k\right)/\mathrm{\&delta;}& \left|g\left(x\right)\right|<\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

$g\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{x}_2\left(k\right)+\mathrm{sign}\left(y\left(k\right)\right)\&times;& \\ \frac{\sqrt{8r\left|y\left(k\right)\right|+{\mathrm{\&delta;}}^2}-\mathrm{\&delta;}}{2}& \left|y\left(k\right)\right|\&GreaterEqual;{\mathrm{\&delta;}}_1\\ x_2\left(k\right)+y\left(k\right)/h_1& \left|y\left(k\right)\right|<{\mathrm{\&delta;}}_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

δ＝h₁r，δ₁＝h₁δ，e(k)＝-r*sat(g(k)，δ)

y(k)＝e(k)+h₁*x₂(k)

式中，

sat：饱和函数，用于在|g(x)|≥δ和|g(x)|＜δ时选择不同的算法；

g(k)：开关函数，用于在|y(k)|≥δ₁和|y(k)|＜δ₁时选择不同的算法；

δ、δ₁、e(k)：计算过程中间变量；

r：决定跟踪电位器信号快慢的快速性系数；

h₁：滤波系数，使提取的速度信号获得很好的滤波效果。

具体而言，本发明所提供的基于虚拟速度内环的双闭环电锁回路控制方法，如图2所示，所述控制方法基于双闭环电锁回路控制系统来实施，所述控制系统包括：位置回路控制器、速度回路控制器、电机、积分器、电位器、跟踪微分器；所述位置回路控制器、速度回路控制器、电机、积分器、电位器依次串联构成位置控制回环；所述电位器的输出端口还连接跟踪微分器的输入端口；所述跟踪微分器的输出端口连接速度回路控制器的输入端口；所述电位器、跟踪微分器、速度回路控制器、电机、积分器构成虚拟速度回环；

所述控制方法包括：

步骤S1：导引装置指定输入角位置指令，利用所输入的角位置指令和当前状态下电位器测量的框架角位置信号相减，获取位置控制偏差；

步骤S2：将位置控制偏差输入至所述位置回路控制器，经过位置回路控制器后的输出作为虚拟速度回环的一路输入；

步骤S3：将所述电位器测量的框架角位置信号经过跟踪微分器的跟踪微分运算后输出作为测量到的框架角速度信号，该测量到的框架角速度信号作为虚拟速度回环的另一路输入；

步骤S4：利用步骤S2得到的一路输入和步骤S3得到的另一路输出，将两者相减，计算得到速度控制偏差；

步骤S5：将所述速度控制偏差输入速度回路控制器，经过速度回路控制器后输出电机控制量至电机，电机转动至指定角位置；

步骤S6：电机转动角速度经过积分后为角位置信息，先通过电位器测量，然后一路反馈测量的框架角位置信号用以重复步骤S1，另一路反馈测量的框架角位置信号至跟踪微分器用以重复步骤S3。

其中，所述跟踪微分器为非线性离散跟踪微分器，其所实施的跟踪微分运算方法基于下述公式(1)进行：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1(k+1)=x_1\left(k\right)+h*x_2\left(k\right)\\ x_2(k+1)=x_2\left(k\right)+h*\mathrm{fst}(x_1\left(k\right)-v\left(k\right),x_2\left(k\right),r,h_1)\end{array}---\left(1\right)\right.$

v(k)：电位器输出的框架角位置信号；

x₁(k)：输出经过滤波后的框架角位置信号；

x₂(k)：输出框架角速度信号；

h：积分步长，由硬件系统的处理速度决定的，一般无法调节；

fst：非线性最速性函数，用于快速估计角速度信号；其具体表达式为：

fst(x₁(k)-v(k)，x₂(k)，r，h₁)＝-r*sat(g(k)，δ)

$\mathrm{sat}(g\left(k\right),\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sign}\left(g\left(k\right)\right)& \left|g\left(x\right)\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}\\ g\left(k\right)/\mathrm{\&delta;}& \left|g\left(x\right)\right|<\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

$g\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{x}_2\left(k\right)+\mathrm{sign}\left(y\left(k\right)\right)\&times;& \\ \frac{\sqrt{8r\left|y\left(k\right)\right|+{\mathrm{\&delta;}}^2}-\mathrm{\&delta;}}{2}& \left|y\left(k\right)\right|\&GreaterEqual;{\mathrm{\&delta;}}_1\\ x_2\left(k\right)+y\left(k\right)/h_1& \left|y\left(k\right)\right|<{\mathrm{\&delta;}}_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

δ＝h₁r，δ₁＝h₁δ，e(k)＝-r*sat(g(k)，δ)

y(k)＝e(k)+h₁*x₂(k)

其中，

sat：饱和函数，用于在|g(x)|≥δ和|g(x)|＜δ时选择不同的算法；

g(k)：开关函数，用于在|y(k)|≥δ₁和|y(k)|＜δ₁时选择不同的算法；

δ、δ₁、e(k)：计算过程中间变量；

r：用于决定跟踪电位器信号快慢的快速性系数；

h₁：滤波系数，用于使提取的速度信号获得很好的滤波效果。

其中，在输出角速度信号噪声低于0.1°/s，带宽高于40hz的约束条件下，所述跟踪微分器的滤波系数为0.01，所述快速性系数为6000。

下面结合具体实施例来详细说明。

实施例

本实施例中，基于虚拟速度内环的双闭环电锁回路控制方法如下：通过计算对导引头框架不同频率正弦运动的电位器数据进行处理，估算框架角速度信号。以安装在框架上的同轴陀螺输出角速度信号为基准，对估算的框架角速度性能进行有效评测。通过评测可知，估算的框架角速度信号在50hz以下能够相位无滞后的跟踪框架正弦运动，同时噪声信号均方差低于0.024°/s。

步骤a)：导引头加电，通过随动电路板采集导引装置电位器输出角位置信号，作为跟踪微分器输入。调节跟踪微分器滤波系数，直至跟踪微分器输出的角速度信号噪声均方差低于0.1°/s；

步骤b)：导引头依次间隔2hz发送2hz～50hz的正弦摆动指令，使导引头框架按照指定频率进行正弦摆动，采集电位器输出的角位置信号和框架上光纤陀螺输出的角速度信号；

步骤c)：将跟踪微分器根据角位置信号估算出的角速度信号与光纤陀螺输出的角速度信号对比，当某频率点跟踪微分器输出的框架角速度信号是相同频率点光纤陀螺输出角速度信号的0.707倍时，该频率点为跟踪微分器输出角速度信号带宽。调节跟踪微分器快速性系数，使角速度信号带宽高于40hz；

步骤d)：将经过跟踪微分器估算的角速度信号作为速度控制回路的反馈值，进行速度控制回路的控制器设计。通过动态信号分析仪测量速度控制回路的带宽，动态信号分析仪的输出信号作为速度控制回路的输入指令，跟踪微分器输出的角速度信号作为动态信号分析仪的输入，调整速度控制回路的控制器参数，使速度内环带宽大于20hz；

步骤e)：将步骤d)中设计的速度控制回路作为电锁控制回路内环，进行电锁控制回路的控制器设计。动态信号分析仪的输出信号作为电锁控制回路的输入指令，电位器输出信号作为动态信号分析仪的输入，调整电锁控制回路的控制器参数，使电锁控制回路带宽大于4hz；

基于虚拟速度内环的电锁回路能够满足系统电锁指标要求，在0.02g²/hz振动条件下对比电锁控制回路控制精度。图3为增加虚拟速度内环前后电锁性能对比图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于虚拟速度内环的双闭环电锁回路控制方法，其特征在于，所述控制方法基于双闭环电锁回路控制系统来实施，所述控制系统包括：位置回路控制器、速度回路控制器、电机、积分器、电位器、跟踪微分器；所述位置回路控制器、速度回路控制器、电机、积分器、电位器依次串联构成位置控制回环；所述电位器的输出端口还连接跟踪微分器的输入端口；所述跟踪微分器的输出端口连接速度回路控制器的输入端口；所述电位器、跟踪微分器、速度回路控制器、电机、积分器构成虚拟速度回环；

所述控制方法包括：

步骤S1：导引装置指定输入角位置指令，利用所输入的角位置指令和当前状态下电位器测量的框架角位置信号相减，获取位置控制偏差；

步骤S2：将位置控制偏差输入至所述位置回路控制器，经过位置回路控制器后的输出作为虚拟速度回环的一路输入；

步骤S3：将所述电位器测量的框架角位置信号经过跟踪微分器的跟踪微分运算后输出作为测量到的框架角速度信号，该测量到的框架角速度信号作为虚拟速度回环的另一路输入；

步骤S4：利用步骤S2得到的一路输入和步骤S3得到的另一路输出，将两者相减，计算得到速度控制偏差；

步骤S5：将所述速度控制偏差输入速度回路控制器，经过速度回路控制器后输出电机控制量至电机，电机转动至指定角位置；

步骤S6：电机转动角速度经过积分后为角位置信息，先通过电位器测量，然后一路反馈测量的框架角位置信号用以重复步骤S1，另一路反馈测量的框架角位置信号至跟踪微分器用以重复步骤S3。

2.如权利要求1所述的基于虚拟速度内环的双闭环电锁回路控制方法，其特征在于，所述跟踪微分器为非线性离散跟踪微分器，其所实施的跟踪微分运算方法基于下述公式(1)进行：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1(k+1)=x_1\left(k\right)+h*x_2\left(k\right)\\ x_2(k+1)=x_2\left(k\right)+h*\mathrm{fst}(x_1\left(k\right)-v\left(k\right),x_2\left(k\right),r,h_1)\end{array}---\left(1\right)\right.$

v(k)：电位器输出的框架角位置信号；

x₁(k)：输出经过滤波后的框架角位置信号；

x₂(k)：输出框架角速度信号；

h：积分步长，由硬件系统的处理速度决定的，一般无法调节；

fst：非线性最速性函数，用于快速估计角速度信号；其具体表达式为：

fst(x₁(k)-v(k)，x₂(k)，r，h₁)＝-r*sat(g(k)，δ)

$\mathrm{sat}(g\left(k\right),\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sign}\left(g\left(k\right)\right)& \left|g\left(x\right)\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}\\ g\left(k\right)/\mathrm{\&delta;}& \left|g\left(x\right)\right|<\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

$g\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{x}_2\left(k\right)+\mathrm{sign}\left(y\left(k\right)\right)\&times;& \\ \frac{\sqrt{8r\left|y\left(k\right)\right|+{\mathrm{\&delta;}}^2}-\mathrm{\&delta;}}{2}& \left|y\left(k\right)\right|\&GreaterEqual;{\mathrm{\&delta;}}_1\\ x_2\left(k\right)+y\left(k\right)/h_1& \left|y\left(k\right)\right|<{\mathrm{\&delta;}}_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

δ＝h₁r，δ₁＝h₁δ，e(k)＝-r*sat(g(k)，δ)

y(k)＝e(k)+h₁*x₂(k)

其中，

sat：饱和函数，用于在|g(x)|≥δ和|g(x)|＜δ时选择不同的算法；

g(k)：开关函数，用于在|y(k)|≥δ₁和|y(k)|＜δ₁时选择不同的算法；

δ、δ₁、e(k)：计算过程中间变量；

r：用于决定跟踪电位器信号快慢的快速性系数；

h₁：滤波系数，用于使提取的速度信号获得很好的滤波效果。

3.如权利要求2所述的基于虚拟速度内环的双闭环电锁回路控制方法，其特征在于，在输出角速度信号噪声低于0.1°/s，带宽高于40hz的约束条件下，所述跟踪微分器的滤波系数为0.01，所述快速性系数为6000。

4.如权利要求1所述的基于虚拟速度内环的双闭环电锁回路控制方法，其特征在于，所述电位器为导电塑料电位器。

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