CN103713518B - 一种陀螺速度稳定控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陀螺速度稳定控制装置，包括：跟随器、放大器、比较器、微处理器、D/A、放大器、功率放大器和陀螺驱动；其中，微处理器利用模糊PID控制算法和正弦波发生器得到控制信号。一种陀螺速度稳定控制方法，其特征在于包括以下步骤：查询陀螺转子的转动周期到来；如果到来，则进行转速测量；如果没有到来，则返回查询陀螺转子的转动周期到来；计算实际转速和设定转速的差值以及差值的增量作为模糊控制的输入；对陀螺转子的转速进行模糊控制并及时调整PID的控制参数去实现PID控制；通过正弦波发生器生成控制信号去控制陀螺。本发明实现了换向时机的最佳化；提高系统的控制精度，减少控制复杂性，提高了电源的效率，并减少了高频干扰。

Description

一种陀螺速度稳定控制装置和方法

技术领域

本发明涉及陀螺控制技术，具体地说是一种陀螺速度稳定控制的方法及装置，应用于频率测量和陀螺速度稳定以及电机速度控制等领域。

背景技术

陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空、航海、航天和工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业和其它高科技的发展具有十分重要的意义。位置和频率测量是陀螺速度稳定控制领域当中两个输入，只有准确的测量陀螺转子的位置和转动频率，才能准确高效、高精度的稳定控制陀螺的转速。模糊控制是用模糊数学的知识模仿人脑的思维方式，对模糊现象进行识别和判决，给出精确的控制量，对被控对象进行控制。PID（比例、积分和微分）控制方法是常用的随动控制方法。在实际应用中，由于微分项容易引起震荡，所以在应用中常常省去该项成为PI控制。

在现有的陀螺速度稳定控制的方法及装置中，将陀螺反馈进行整形、滤波后，得到与陀螺转速成正比的直流信号，这样就降低了陀螺转速测量的精度；控制电路采用比较的方法来决定当前应该加速还是减速，这样降低了控制的精度，驱动陀螺采用方波信号，这样谐波比较大，电源的应用效率不高，而且对其他设备的干扰比较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种陀螺速度稳定控制的方法及装置。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种陀螺速度稳定控制装置，包括：顺序连接的跟随器、第一放大器、比较器、微处理器、D/A、第二放大器、功率放大器和陀螺驱动；所述跟随器、第一放大器将来自传感器的陀螺反馈信号经过进行信号放大；所述比较器将正弦的陀螺反馈信号整形成方波信号输入至微处理器；所述微处理器输出控制信号经D/A、第二放大器、功率放大器进行信号放大后，输出至陀螺驱动使陀螺持续旋转；其中，微处理器利用模糊PID控制算法和正弦波发生器得到控制信号。

所述陀螺反馈信号包括陀螺转子的位置和转速。

一种陀螺速度稳定控制方法，包括以下步骤：

1）查询陀螺转子的转动周期是否到来；

2）如果到来，则对陀螺转子进行转速测量；如果没有到来，则返回步骤1）；

3）计算测量的转速和设定转速的差值以及差值的增量作为模糊控制的输入；

4）对陀螺转子的转速进行模糊控制并得到PID的控制参数；包括比例参数和积分参数；

5）将设定转速作为目标值，测量转速作为反馈值，利用模糊控制得到的PID控制参数对陀螺转子进行PID控制，输出控制量；

6）将PID控制输出的控制量通过正弦波发生器生成控制信号，并返回步骤1）；

7）该控制信号经D/A进行数模转换后，经放大器、功率放大器进行信号放大后通过陀螺驱动控制陀螺。

所述步骤4）中对陀螺转子的转速进行模糊控制并及时调整PID的控制参数包括：

A．当差值与差值增量同号时，比例参数取隶属度函数中PB的对应输出值，积分参数取隶属度函数中NB的对应输出值；

B.当差值与差值增量异号时，如果偏差绝对值≥偏差变化率绝对值时，比例参数取隶属度函数中NB的对应输出值，积分参数取隶属度函数中PB的对应输出值；如果偏差绝对值＜偏差变化率绝对值，比例参数与积分参数均取隶属度函数中NB的对应输出值。

所述步骤5）中的正弦波发生器生成控制信号具体为：将陀螺反馈的位置信号作为相位，根据PID控制输出的转速信号来调整幅度和频率，根据得到的相位、幅度和频率确定正弦波并输出。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明利用陀螺反馈信号测量陀螺转子的位置，实现了换向时机的最佳化。

2.本发明利用微控制器测量陀螺转子的速度，提高系统的控制精度。

3.本发明利用模糊控制理论结合PID控制方法对陀螺转子进行稳定控制，减少控制复杂性，提高控制精度。

4.本发明利用正弦波发生器对陀螺进行速度控制，由于没有谐波，提高了电源的效率，并减少了高频干扰。

附图说明

图1为本发明硬件原理示意图；

图2为本发明控制原理示意图；

图3为速度偏差及偏差变化率隶属度关系图；

图4为比例积分因子隶属度关系图；

图5为正弦波发生器原理示意图；

图6为陀螺速度稳定控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明采用信号处理技术对陀螺反馈信号进行跟随、放大、比较等处理，然后该信号输入微处理器，通过处理和计算得当前时刻陀螺的位置和转速，利用模糊控制结合PID方法对速度进行控制并通过正弦波发生器形成输出控制信号，然后经过功率放大器进行输出，实现系统的稳定控制。

如图1所示，陀螺反馈信号经过电压跟随器、放大之后，进入比较器，将正弦的陀螺反馈信号正形成方波信号，微处理器接收该信号，并利用计时器测量脉冲宽度，然后计算出该信号的频率，作为模糊PID控制的输入，经过模糊PID控制算法后，通过正弦波发生器形成输出信号，并将处理后的陀螺反馈信号的上升沿作为输出信号的起点。该信号经过信号放大、功率放大等环节，推动陀螺持续旋转。跟随器采用TL082，比较器采用LM393，微处理器采用TMS320F2812。

如图2所示，输入转速即为陀螺的实际测量频率与设定转速做差，并对该差值进行离散差分，这两项为模糊控制的输入；模糊控制的输出为PI控制的系数，用于形成输出控制信号。

模糊控制采用双输入双输出形式，模糊控制的输入为速度偏差δ_ω和速度偏差变化率δ_β，模糊控制的输出量δk_p，δk_i。模糊语言集定义为:{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。其中，NB为负大，NM为负中，NS为负小，ZO为零，PS为正小，PM为正中，PB为正大。输入变量、输出变量的模糊子集论域为:{－8，－4，－2，0，2，4，8}。

隶属度函数采用梯形隶属度函数，速度偏差及偏差变化率的隶属度函数如图3所示，输出比例积分隶属度函数如图4所示。

根据速度的偏差及偏差变化率，及时调整PI的参数以实现自适应的控制。当偏差与偏差变化率同号时，被控量（转速）是偏离既定值（设定转速）方向变化，比例因子k_p值取大值（如4～8），积分因子k_i取小值（如-4～-8），可以尽快将控制量调整到期望值附近；当偏差变化率与偏差异号时，如果偏差比较大（偏差绝对值≥偏差变化率绝对值）时，比例因子k_p值取小值（如-4～-8），积分因子k_i取大值（如4～8），如果偏差比较（偏差绝对值＜偏差变化率绝对值）小，比例因子k_p与积分因子k_i均取小值（如-4～-8），以便被控制量快速收敛。

如图5所示，陀螺反馈为两部分，一部分是位置反馈，一部分为转速反馈。位置反馈用来调整输出正弦波的相角；转速反馈用来调整正弦波的幅度和频率。对于一个正弦波而言，频率、相位、幅度三要素可以完全确定该正弦波的特性，该正弦波即为陀螺转动控制信号。

如图6所示，系统上电后，首先要关闭所有输出，初始化所有参数，然后等待陀螺转子的转动周期到来，如果没有到来，则继续等待，如果到来则进行转速测量。接下来计算测量出的实际转速和设定转速的插值以及插值的增量，将这两项作为模糊控制的输入，经过隶属度变换，得出PI控制系数，最后利用该系数生成正弦波。

Claims (3)

1.一种陀螺速度稳定控制方法，其包括：跟随器、第一放大器、比较器、微处理器、D/A、第二放大器、功率放大器和陀螺驱动顺序连接；

所述跟随器、第一放大器将来自传感器的陀螺反馈信号经过进行信号放大；所述比较器将正弦的陀螺反馈信号整形成方波信号输入至微处理器；所述微处理器输出控制信号经D/A、第二放大器、功率放大器进行信号放大后，输出至陀螺驱动使陀螺持续旋转；其中，微处理器利用模糊PID控制算法和正弦波发生器得到控制信号；

所述陀螺反馈信号包括陀螺转子的位置和转速；

其特征在于，还包括以下步骤：

1)查询陀螺转子的转动周期是否到来；

2)如果到来，则对陀螺转子进行转速测量；如果没有到来，则返回步骤1)；

3)计算测量的转速和设定转速的差值以及差值的增量作为模糊控制的输入；

4)对陀螺转子的转速进行模糊控制并得到PID的控制参数；包括比例参数和积分参数；

5)将设定转速作为目标值，测量转速作为反馈值，利用模糊控制得到的PID控制参数对陀螺转子进行PID控制，输出控制量；

6)将PID控制输出的控制量通过正弦波发生器生成控制信号，并返回步骤1)；

7)该控制信号经D/A进行数模转换后，经放大器、功率放大器进行信号放大后通过陀螺驱动控制陀螺。

2.根据权利要求1所述的一种陀螺速度稳定控制方法，其特征在于：

所述步骤4)中对陀螺转子的转速进行模糊控制并及时调整PID的控制参数包括：

A.当差值与差值增量同号时，比例参数取隶属度函数中PB的对应输出值，积分参数取隶属度函数中NB的对应输出值；

B.当差值与差值增量异号时，如果偏差绝对值≥偏差变化率绝对值时，比例参数取隶属度函数中NB的对应输出值，积分参数取隶属度函数中PB的对应输出值；如果偏差绝对值＜偏差变化率绝对值，比例参数与积分参数均取隶属度函数中NB的对应输出值。

3.根据权利要求1所述的一种陀螺速度稳定控制方法，其特征在于：

所述步骤6)中的正弦波发生器生成控制信号具体为：将陀螺反馈的位置信号作为相位，根据PID控制输出的转速信号来调整幅度和频率，根据得到的相位、幅度和频率确定正弦波并输出。