CN104709461A - 数字式飞行控制系统液压伺服新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种数字式飞行控制系统液压伺服新方法，使系统的可靠性及可维护性提高、系统的体积缩小、系统的模块化及通用化增强，向国外REU技术靠近。本发明技术方案为：对模拟的传感器高端信号和低端信号进行采样和A/D转换，形成传感器高端数字采样信号和传感器低端数字采样信号；对传感器高端数字采样信号取正绝对值，形成正脉动信号，对传感器低端数字采样信号取负绝对值，形成负脉动信号；对所述正脉动信号和所述负脉动信号进行数字滤波，形成与正脉动信号有效值对应的正直流信号和与负脉动信号有效值对应的负直流信号。

Description

数字式飞行控制系统液压伺服新方法
技术领域
本发明涉及飞行控制领域，涉及一种数字式飞行控制系统液压伺服新方法。
背景技术
飞行控制系统液压伺服的核心模块包括舵面位置反馈传感器解调电路、位置反馈信号与伺服指令综合电路、前向增益及限幅等环节。传统的飞控系统液压伺服系统多以纯模拟电子元器件或者数模混合方式实现，虽然具有技术成熟，验证充分的优势，但是在伺服精度、产品可靠性、产品维护性及产品小型化方面均存在着不足之处。特别是在产品研制的初始阶段，存在着诸如解调增益、滤波参数、前向增益的反复变化的情况，因此存在研制效率低，研制人力、及财力成本高的缺陷。对照国外技术发展，以伺服系统与作动器集成化为一体的REU（远程电子控制单元）技术是液压伺服的大趋势，而REU的核心要求就是伺服系统小型化，高集成度，传统的液压伺服技术不能满足这方面应用要求，存在着技术落后的风险。
发明内容
本发明的目的是提出一种数字式飞行控制系统液压伺服新方法，使系统的可靠性及可维护性提高、系统的体积缩小、系统的模块化及通用化增强，向国外REU技术靠近。
本发明采取的技术方案为，一种数字式飞行控制系统液压伺服新方法，包括：
对模拟的传感器高端信号和低端信号进行采样和A/D转换，形成传感器高端数字采样信号和传感器低端数字采样信号；
对传感器高端数字采样信号取正绝对值，形成正脉动信号，对传感器低端数字采样信号取负绝对值，形成负脉动信号；
对所述正脉动信号和所述负脉动信号进行数字滤波，形成与正脉动信号有效值对应的正直流信号和与负脉动信号有效值对应的负直流信号；
对所述正直流信号和负直流信号求差并乘以解调增益，得到传感器位置解调信号；
将传感器位置解调信号与PFC下传数字指令进行求和，形成控制误差信号；
对所述控制误差信号进行前向放大和限幅，形成伺服数字指令；
对伺服数字指令进行D/A转换，形成伺服模拟指令输出。
本发明具有的优点和有益效果：本发明将原来模拟电路分立器件实现的解调和前向伺服回路全部放入FPGA内部以逻辑语言形式实现，因此在器件使用上仅有FPGA一种器件，可靠性提高一个数量级，系统体积缩小至原来的1/2。
本发明通过原理样机在系统试验，与原模拟伺服电路对比测试，体现出了较高的伺服精度。
附图说明
图1是数字伺服系统结构示意图，其中，I：采集及A/D转换功能，II：数字解调功能，III：数字伺服回路功能，IV：D/A转换功能，V：伺服驱动功能；
图2是本发明的数字解调器示意图，（1）：采集及A/D转换控制器单元，（2）：求绝对值单元，（3）：数字滤波器单元，（4）：数字运算单元；
图3是本发明IIR数字滤波器网络结构图。
图4是本发明数字伺服回路示意图，（5）：指令综合单元，（6）：参数化增益单元，（7）：数字限幅单元；
图5是Verilog实现数字伺服参数化封装模块示意图（忽略输入输出关系及相关信号），（8）：参数化解调模块，其中Z0，Z1是滤波器一阶及二阶系数，Kf是解调增益，（9）：参数化伺服增益模块，其中K1是前向增益，（10）：参数化限幅模块，其中LIMITED UP及LIMITED DOWN分别是上、下限幅值。
图6是本发明整体结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述，本发明组成框图如图1所示，共由五部分组成：I.采集及A/D转换；II.数字解调；III.数字伺服回路；IV.D/A转换；V.伺服驱动。
本发明提供一种数字式飞行控制系统液压伺服新方法，具体结构如图6所示，包括：
S101、对模拟的传感器高端信号和低端信号进行采样和A/D转换，形成传感器高端数字采样信号和传感器低端数字采样信号。
交流形式的传感器位置信号分成高低端经A/D转换器分别采集进入FPGA，采集过程受FPGA内部的A/D采集控制器控制，图2中（1），主要是采样频率信号产生，设计上采取了取与基频非整数倍的采样频率的设计方法，设传感器激磁信号频率为fo，则采样频率fs取为:fs=N·fo，其中N取大于2且非整数，实际取5～10之间的小数，即一定的过采样；
S102、对传感器高端数字采样信号取正绝对值，形成正脉动信号，对传感器低端数字采样信号取负绝对值，形成负脉动信号。
对于采集进入FPGA内部的数据，根据模拟无相移解调器的原理，需要对其进行整流处理，本方案采取了求绝对值的方式予以实现，即对传感器高端信号采集数据取正绝对值，对传感器低端信号采集数据取负绝对值，见图2中（2）。
S103、对所述正脉动信号和所述负脉动信号进行数字滤波，形成与正脉动信号有效值对应的正直流信号和与负脉动信号有效值对应的负直流信号。
根据模拟解调器原理，对整流后的信号需要进行滤波处理。对应数字解调中也需要设计相应的数字滤波器，由于滤波器中涉及较多乘法运算，若采用数学方式实现，则需要占用大量的逻辑资源，不利于提高单片FPGA实现通道容量。因此，本方案在设计上采取了移位累加求和的方式实现乘法器。
S104、对所述正直流信号和负直流信号求差并乘以解调增益，得到传感器位置解调信号。
不同的工程应用对象，其传感器位置信号解调增益不尽相同，因此为便于通用化及型号研制初期变化较大等情况，见图2中（4）及。
S105、将传感器位置解调信号与PFC下传数字指令进行求和，形成控制误差信号。
对照模拟伺服，由于传感器反馈信号与PFC指令信号极性相反，因此在FPGA内部将解调信号与PFC指令进行求和形式的综合运算，以得到伺服误差信号，见图3中（5）。
S106、对所述控制误差信号进行前向放大和限幅，形成伺服数字指令。
对误差信号乘上前向增益进行放大，并设置相应的数字上下限幅值对其限幅以满足前向伺服要求，见图3中（6），（7）及图4中（9），（10）。
S107、对伺服数字指令进行D/A转换，形成伺服模拟指令输出。
由于伺服驱动部分具有一定的功率，需要以模拟器件实现，因此PFGA内部形成的数字伺服指令需要经D/A转换形成模拟指令输出，以送入驱动电路进行电流驱动，见图3中V。
进一步的，还可以包括：
S108、对所述正直流信号和负直流信号求和，得到传感器和值数字信号。
从系统可靠性和安全性方面考虑，需要对伺服系统进行安全监控，而传感器是伺服系统中最重要的反馈机构，因此需要对其工作状态是否良好进行在线监控。通过将高低端解调信号进行求和运算，得到代表传感器是否存在激磁异常或断线故障的和值数字信号，见图2中（5）。
S109、对传感器和值数字信号进行D/A转换，形成传感器和值模拟信号进行传感器断线模拟监控。
将和值数字信号D/A转换为模拟信号，在外部设置一定检测门限，以对传感器工作状态进行判断。
具体的，对所述正脉动信号和所述负脉动信号进行数字滤波的步骤包括：
S1031、对所述正脉动信号和所述负脉动信号乘以同一个系统函数，得到与正脉动信号有效值对应的正直流信号和与负脉动信号有效值对应的负直流信号；
经整流后的数字信号进入数字滤波器进行滤波处理，产生等效的直流信号。数字滤波器采用脉冲响应不变法设计IIR滤波器，由于常见的滤波器以一阶及二阶为主，因此设计中直接设计成二阶形式，通过设置相应参数可转化为一阶。系统函数经抽样后形成的传递函数形式为：经过转换得到：Ai为数字一阶滤波器增益，为乘法环节，设计中采取移位累加求和的方法实现，见图2中（3）及图3所示。
作为进一步改进，解调增益和对所述控制误差信号进行前向放大的增益参数化设计，对所述控制误差信号限幅为参数化设计。以满足不同的工程应用要求，见图5所示。

Claims (5)

1.一种数字式飞行控制系统液压伺服新方法，其特征在于，包括：
对模拟的传感器高端信号和低端信号进行采样和A/D转换，形成传感器高端数字采样信号和传感器低端数字采样信号；
对传感器高端数字采样信号取正绝对值，形成正脉动信号，对传感器低端数字采样信号取负绝对值，形成负脉动信号；
对所述正脉动信号和所述负脉动信号进行数字滤波，形成与正脉动信号有效值对应的正直流信号和与负脉动信号有效值对应的负直流信号；
对所述正直流信号和负直流信号求差并乘以解调增益，得到传感器位置解调信号；
将传感器位置解调信号与PFC下传数字指令进行求和，形成控制误差信号；
对所述控制误差信号进行前向放大和限幅，形成伺服数字指令；
对伺服数字指令进行D/A转换，形成伺服模拟指令输出。
2.如权利要求1所述的一种数字式飞行控制系统液压伺服新方法，其特征在于，还包括：
对所述正直流信号和负直流信号求和，得到传感器和值数字信号；
对传感器和值数字信号进行D/A转换，形成传感器和值模拟信号进行传感器断线模拟监控。
3.如权利要求1所述的一种数字式飞行控制系统液压伺服新方法，其特征在于，对所述正脉动信号和所述负脉动信号进行数字滤波的步骤包括：
对所述正脉动信号和所述负脉动信号乘以同一个系统函数，得到与正脉动信号有效值对应的正直流信号和与负脉动信号有效值对应的负直流信号；
所述系统函数为其中，Ai为数字一阶滤波器增益、Si为系统函数对应的S域函数的极点值、T为采样间隔时间、N为系统函数阶数。
4.如权利要求1所述的一种数字式飞行控制系统液压伺服新方法，其特征在于，解调增益和对所述控制误差信号进行前向放大的增益参数化设计。
5.如权利要求1所述的一种数字式飞行控制系统液压伺服新方法，其特征在于，对所述控制误差信号限幅为参数化设计。
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