CN105867113A - 一种伺服控制器、伺服控制系统及伺服控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种伺服控制器、伺服控制系统及伺服控制方法，伺服控制器包括卡尔曼滤波运算模块，用于采集误差信号，将误差信号进行数据预测平滑处理，将处理周期内的误差信号平滑成线性；模糊PID模块，用于制定模糊规则表，根据模糊规则表调节PID运算参数，根据PID运算参数对数据预测平滑处理后的误差信号进行PID运算，得伺服驱动信号。相对现有技术，本发明易于实现、硬件要求低、能有效提高目标信号的自动跟踪精度及效率、可进行模拟轨道跟踪。

Description

一种伺服控制器、伺服控制系统及伺服控制方法

技术领域

本发明涉及卫星跟踪技术领域，特别涉及这一种伺服控制器、卫星跟踪伺服控制系统及卫星跟踪伺服控制方法。

背景技术

在跟踪系统伺服控制设计中，常采用的一种方法是通过对被跟踪目标误差信号的合成处理，估算目标的运行角速度和角加速度，通过滤波处理消除角度测量上的误差及噪声，最终形成伺服运动的引导信号。常使用的滤波处理是卡尔曼滤波处理，这样的处理方法是基于对目标的角度数据的预估，存在一定的缺陷：

1)需要获取准确的目标位置信息，才能保证系统的跟踪精度，而目标信号接收机所输出的误差信号反映的是目标信号的强弱程度，而不是目标的位置信号，实际上目标的真正位置角度信号很难得到；

2)整个处理过程涉及大量的数学运算过程，运算公式复杂，对伺服微控制器的运算要求较高，运算处理的时间长等因素对系统的高灵敏度、实时性有不利的影响，同时对消除系统的跟踪迟滞作用甚微。

对跟踪系统伺服控制器的设计一般基于PID控制算法或前馈控制方式。PID控制具有结构简单，易于实现，理论体系成熟等特点，在实际的工程实践中得到极大的应用。经典PID算法在伺服定位、定速精度控制上的应用较成熟，具有一定的优势；一般前馈控制在跟踪系统中对线性误差信号的跟踪效果比较理想，经典PID控制和一般前馈控制应用在动态非线性目标跟踪系统中，存在一定的缺陷：

1)要获得理想的跟踪精度及稳定性，对机械结构及控制器的处理能力有非常高的要求，而同时对消除系统的跟踪迟滞性没有明显的效果；

2)一般的前馈控制在应用在非线性系统上，在目标动态跟踪中前馈补偿量很难由跟踪误差信号中得到，受误差信号的影响较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种易于实现、硬件要求低、能有效提高目标信号的自动跟踪精度及效率、可进行模拟轨道跟踪的伺服控制器、卫星跟踪伺服控制系统及卫星跟踪伺服控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种伺服控制器，包括

卡尔曼滤波运算模块，用于采集误差信号，将误差信号进行数据预测平滑处理，将处理周期内的误差信号平滑成线性；

模糊PID模块，用于制定模糊规则表，根据模糊规则表调节PID运算参数，根据PID运算参数对数据预测平滑处理后的误差信号进行PID运算，得伺服驱动信号。

本发明的有益效果是：卡尔曼滤波运算模块使用滤波预测技术，可以对实际跟踪速度作较准确的模拟，便于实现在跟踪过程中，信号短时缺失的情况下进行模拟轨道跟踪，再者将处理周期内的误差信号平滑成线性，保证伺服驱动信号在短时间段内的平稳度，提升伺服电机运行的灵敏度及稳定性；通过模糊PID模块在动态跟踪PID运算过程加入模糊规则表，既能满足卫星跟踪精度和稳定性，同时又能提高动态卫星跟踪的反应灵敏度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述PID运算参数包括比例参数、微分参数和积分参数，所述模糊PID模块根据模糊规则调节比例参数、微分参数和积分参数。

进一步，所述模糊PID模块包括PID运算处理单元和模糊规则库，所述模糊规则库用于存储模糊规则表，根据所述PID运算处理单元的调用，向所述PID运算处理单元向输出PID运算参数；所述PID运算处理单元用于根据PID运算参数对数据预测平滑处理后的误差信号进行PID运算，得伺服驱动信号。

进一步，所述模糊PID模块还包括积分分离处理单元，所述积分分离处理单元用于对所述模糊规则库输出的PID运算参数中的比例参数进行调节，向所述PID运算处理单元输出调节比例参数后的PID运算参数。

采用上述进一步方案的有益效果是：积分分离处理单元在满足跟踪精度的前提下，在小误差段内适当减小比例参数，消除PID运算所引起的振荡，提高系统跟踪的稳定性和精度，有效消除系统的跟踪滞后。

进一步，还包括放大处理模块，所述放大处理模块用于对数据预测平滑处理后的误差信号进行信号放大，并将放大后的误差信号传输至模糊PID模块。

采用上述进一步方案的有益效果是：放大处理模块对误差信号进行信号放大，便于后续信号处理，提升精准度。

进一步，还包括数模转换模块，所述数模转换模块用于对伺服驱动信号进行数模转换，输出伺服驱动信号的数字信号。

采用上述进一步方案的有益效果是：数模转换模块将伺服驱动信号进行数模转换，便于信号的传输和保密。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种伺服控制系统，包括伺服控制器、伺服驱动模块、伺服电机传动机构和天线机构，所述伺服控制器输出伺服驱动信号，所述伺服驱动模块用于对伺服驱动信号进行数据处理，生成控制信号，所述伺服电机传动机构用于根据控制信号进行运转，所述天线机构与所述伺服电机传动机构连接，所述天线机构与所述伺服电机传动机构联动。

本发明的有益效果是：通过伺服控制器、伺服驱动模块、伺服电机传动机构和天线机构协调运作，实现对伺服电机传动机构带动天线机构进行卫星跟踪，整体结构简单、硬件要求低、能有效提高目标信号的自动跟踪精度及效率，可以对实际跟踪速度作较准确的模拟，便于实现在跟踪过程中，信号短时缺失的情况下进行模拟轨道跟踪，卫星跟踪的稳定性高，反应灵敏度高。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，还包括伺服测速测角模块，所述伺服测速测角模块用于对所述伺服电机传动机构进行角速度、角加速度和偏转角度的测量，生成测量信号，并将测量信号传输至伺服控制器，所述伺服控制器根据测量信号调整模糊规则库。

采用上述进一步方案的有益效果是：伺服测速测角模块进行角速度、角加速度和偏转角度测量，促使调整模糊规则库，伺服控制器做出适应性调整，提升卫星跟踪精度和稳定性，同时又能提高动态卫星跟踪的反应灵敏度。

进一步，还包括雷达接收机，所述雷达接收机用于检测所述天线机构的偏转方向数据，进行数据处理，生成误差信号传输至伺服控制器。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过雷达接收机连接天线机构和伺服控制器，可以实现本系统闭环连接，实现实时数据采集和数据处理，提升目标追踪的精准性，避免了无法获得跟踪目标精确的角速度和角角速度等难题，具有一定的自适应性。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种伺服控制方法，包括以下步骤：

步骤S1.伺服控制器采集误差信号，将误差信号进行数据预测平滑处理，将处理周期内的误差信号平滑成线性；

步骤S2.制定模糊规则表，根据模糊规则表调节PID运算参数，根据PID运算参数对数据预测平滑处理后的误差信号进行PID运算，得伺服驱动信号；

步骤S3.伺服驱动模块对伺服驱动信号进行数据处理，生成控制信号；伺服电机传动机构根据控制信号进行运转。

本发明的有益效果是：数据预测平滑处理可以对实际跟踪速度作较准确的模拟，便于实现在跟踪过程中，信号短时缺失的情况下进行模拟轨道跟踪，再者将处理周期内的误差信号平滑成线性，保证伺服驱动信号在短时间段内的平稳度，提升运行的灵敏度及稳定性；在动态跟踪PID运算过程加入模糊规则表，既能满足卫星跟踪精度和稳定性，同时又能提高动态卫星跟踪的反应灵敏度；再者可以对实际跟踪速度作较准确的模拟，便于实现在跟踪过程中，信号短时缺失的情况下进行模拟轨道跟踪。

附图说明

图1为本发明一种伺服控制系统的模块框图；

图2为模糊PID模块的模块框图；

图3为卡尔曼滤波运算模块处理前的误差信号数据图；

图4为卡尔曼滤波运算模块处理后的误差信号数据图；

图5为未采用模糊规则的伺服调速效果图；

图6为采用模糊规则后的伺服调速效果图；

图7为本发明一种伺服控制系统的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、伺服控制器，11、卡尔曼滤波运算模块，12、模糊PID模块；

121、PID运算处理单元，122、模糊规则库，123、积分分离处理单元；

13、放大处理模块，14、数模转换模块；

2、伺服驱动模块，3、伺服电机传动机构，4、天线机构，5、伺服测速测角模块，6、雷达接收机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种伺服控制器，包括

卡尔曼滤波运算模块11，用于采集误差信号，将误差信号进行数据预测平滑处理，将处理周期内的误差信号平滑成线性；

模糊PID模块12，用于制定模糊规则表，根据模糊规则表调节PID运算参数，根据PID运算参数对数据预测平滑处理后的误差信号进行PID运算，得伺服驱动信号。

优选的，所述PID运算参数包括比例参数、微分参数和积分参数，所述模糊PID模块2根据模糊规则调节比例参数、微分参数和积分参数。

优选的，如图2所示，所述模糊PID模块12包括PID运算处理单元121和模糊规则库122，所述模糊规则库122用于存储模糊规则表，根据所述PID运算处理单元121的调用，向所述PID运算处理单元121向输出PID运算参数；所述PID运算处理单元121用于根据PID运算参数对数据预测平滑处理后的误差信号进行PID运算，得伺服驱动信号。

优选的，所述模糊PID模块12还包括积分分离处理单元123，所述积分分离处理单元123用于对所述模糊规则库122输出的PID运算参数中的比例参数进行调节，向所述PID运算处理单元121输出调节比例参数后的PID运算参数。

优选的，还包括放大处理模块13，所述放大处理模块13用于对数据预测平滑处理后的误差信号进行信号放大，并将放大后的误差信号传输至模糊PID模块12。

优选的，还包括数模转换模块14，所述数模转换模块14用于对伺服驱动信号进行数模转换，输出伺服驱动信号的数字信号。

一种伺服控制系统，包括伺服控制器1、伺服驱动模块2、伺服电机传动机构3和天线机构4，所述伺服控制器1输出伺服驱动信号，所述伺服驱动模块2用于对伺服驱动信号进行数据处理，生成控制信号，所述伺服电机传动机构3用于根据控制信号进行运转，所述天线机构4与所述伺服电机传动机构3连接，所述天线机构4与所述伺服电机传动机构3联动。

优选的，还包括伺服测速测角模块5，所述伺服测速测角模块5用于对所述伺服电机传动机构3进行角速度、角加速度和偏转角度的测量，生成测量信号，并将测量信号传输至伺服控制器1，所述伺服控制器1根据测量信号调整模糊规则库122。

优选的，还包括雷达接收机6，所述雷达接收机6用于检测所述天线机构4的偏转方向数据，进行数据处理，生成误差信号传输至伺服控制器1。

如图7所示，一种伺服控制方法，包括以下步骤：

步骤S1.伺服控制器1采集误差信号，将误差信号进行数据预测平滑处理，将处理周期内的误差信号平滑成线性；

步骤S2.制定模糊规则表，根据模糊规则表调节PID运算参数，根据PID运算参数对数据预测平滑处理后的误差信号进行PID运算，得伺服驱动信号；

步骤S3.伺服驱动模块2对伺服驱动信号进行数据处理，生成控制信号；伺服电机传动机构3根据控制信号进行运转。

实施本方案，卫星信号跟踪过程中，天线机构4送给伺服控制器1的误差信号由于存在测量误差及噪声干扰，使系统具有较强的非线性及随动性的特点；而天线机构4所送出的误差信号，反馈的是跟踪目标信号的误差大小，因此，在伺服控制器1中需将该误差信号处理成伺服电机的伺服驱动信号，引导天线指向目标，提高天线机构4对目标信号的测量精度。

通过模糊PID模块12在动态跟踪PID运算过程加入模糊规则表控制机制，在满足系统跟踪精度和稳定性的同时消除系统的跟踪滞后；通过实际的测试对比，控制效果优于单纯的PID控制、模糊控制和前馈控制效果。

如图1所示，在伺服控制的过程中，通过天线机构4接收的目标信号通过雷达接收机6处理成误差信号反馈给伺服控制器1，伺服控制器1通过运算转换成伺服驱动模块2的伺服驱动信号，进而通过伺服电机传动机构3带动天线机构4指向目标正方向运动，减小天线机构4的信号接收误差，整个处理过程形成一个闭环控制结构。

如图1所示，伺服控制器1主要由两大部分组成：卡尔曼滤波运算模块11和模糊PID模块12，卡尔曼滤波运算模块11将雷达接收机传输过来的误差信号处进行平滑处理，以便于在后期的伺服驱动信号形成的处理中保证伺服驱动信号在短时间段内的平稳度；模糊PID模块12主要包含模糊规则表的制定和PID运算，模糊规则表的制定主要根据系统的实际情况，即系统的被控对象的动态调节参数(上升时间、超调量、调节时间等)来整定PID运算所需的P、I、D参数。

本控制技术的实现调试分两大步进行：卡尔曼滤波运算模块11调试、模糊PID模块12调试。

1)卡尔曼滤波运算模块11调试阶段

首先，通过对采集的误差信号进行静态调节，通过图表对目标误差信号滤波处理前后效果进行对比，由于误差信号为一维数据，因此滤波处理过程，输出增益矩阵和反馈增益矩阵为一维变量参数，这样，调节起来复杂度降低。

如图3和图4所示，通过对数据分析可知，处理前，误差信号在某些采样点上出现较大的突变，引起这个因素的原因有两大方面：一方面，由于测量误差和噪声引起；另一方面是采集的数据本身就是在前后两个采样点出现突变。通过卡尔曼滤波处理后，在保证关键点上的数据准确性的同时，比较突出、尖细的数据点与附近点的差值变小，在其周边小范围内，整段误差信号数据变得平滑，在同一个方向上具有一定的线性度。

其次，在完成卡尔曼滤波处理的静态调试后，将相关的调试参数和调试代码移植到控制程序中，调节控制周期，实现动态的卡尔曼滤波处理。

2)在模糊PID调试阶段

整个调试步骤主要有两大部分：一、模糊规则库的制定；二、PID参数的整定；

首先，模糊规则库122的制定主要是结合伺服系统的机械和非线性特征来决定，制定的主要依据是伺服运行自动跟踪工作模式，根据伺服运转的稳定性来判断，在调节伺服运转的反应速度达到最快的情况下，满足伺服电机的急刹稳定性，依据接收到不同的误差信号，调节比例参数主要的几个调节节点如表1，表1以本系统的实际测试情况为例，系统调速的特点是，在5ms的调整周期内，速度和误差信号及其变化率都具有一定的线性关系。

表1

根据误差信号及其变化率的实际情况调节比例参数主要的作用依据是在不加大超调量的情况下，最大的减小调节上升时间，图5为本系统未采用模糊规则，仅使用固定的比例参数和积分、微分参数的伺服调速效果图，图6是系统采用模糊规则调节比例参数和积分、微分参数后的伺服调速效果图。

通过两种情况下的调速效果对比可知，通过模糊规则表调整后的调速快速稳定，明显优于全程使用固定比例参数的调速效果。

其次，积分参数的整定；积分参数的整定主要的调节依据是选取最优的运算处理、数据更新周期T，保证系统的稳态误差消除的效果以及稳定的快速性。积分参数从大的数值开始调节，往小数值方向调整，直到跟踪误差信号精度满足系统设计要求，伺服系统运行的稳定性也符合设计需求。

最后，确定积分参数后，通过伺服系统的振荡特性，加入积分分离处理机制，处理思路为在满足跟踪精度的前提下，在小误差段内适当减小比例参数，消除PID运算所引起的振荡，提高系统跟踪的稳定性。

完成调试后将所调试的参数固化，写入EEPROM或固化到控制程序中，以后使用的PID参数由其中调用即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种伺服控制器，其特征在于，包括

卡尔曼滤波运算模块(11)，用于采集误差信号，将误差信号进行数据预测平滑处理，将处理周期内的误差信号平滑成线性；

模糊PID模块(12)，用于制定模糊规则表，根据模糊规则表调节PID运算参数，根据PID运算参数对数据预测平滑处理后的误差信号进行PID运算，得伺服驱动信号。

2.根据权利要求1所述一种伺服控制器，其特征在于，所述PID运算参数包括比例参数、微分参数和积分参数，所述模糊PID模块(2)根据模糊规则调节比例参数、微分参数和积分参数。

3.根据权利要求1所述一种伺服控制器，其特征在于，所述模糊PID模块(12)包括PID运算处理单元(121)和模糊规则库(122)，所述模糊规则库(122)用于存储模糊规则表，根据所述PID运算处理单元(121)的调用，向所述PID运算处理单元(121)向输出PID运算参数；所述PID运算处理单元(121)用于根据PID运算参数对数据预测平滑处理后的误差信号进行PID运算，得伺服驱动信号。

4.根据权利要求3所述一种伺服控制器，其特征在于，所述模糊PID模块(12)还包括积分分离处理单元(123)，所述积分分离处理单元(123)用于对所述模糊规则库(122)输出的PID运算参数中的比例参数进行调节，向所述PID运算处理单元(121)输出调节比例参数后的PID运算参数。

5.根据权利要求1至4任一项所述一种伺服控制器，其特征在于，还包括放大处理模块(13)，所述放大处理模块(13)用于对数据预测平滑处理后的误差信号进行信号放大，并将放大后的误差信号传输至模糊PID模块(12)。

6.根据权利要求1至4任一项所述一种伺服控制器，其特征在于，还包括数模转换模块(14)，所述数模转换模块(14)用于对伺服驱动信号进行数模转换，输出伺服驱动信号的数字信号。

7.一种伺服控制系统，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的伺服控制器(1)、伺服驱动模块(2)、伺服电机传动机构(3)和天线机构(4)，所述伺服控制器(1)输出伺服驱动信号；所述伺服驱动模块(2)用于对伺服驱动信号进行数据处理，生成控制信号；所述伺服电机传动机构(3)用于根据控制信号进行运转；所述天线机构(4)与所述伺服电机传动机构(3)连接，所述天线机构(4)与所述伺服电机传动机构(3)联动。

8.根据权利要求7所述一种伺服控制系统，其特征在于，还包括伺服测速测角模块(5)，所述伺服测速测角模块(5)用于对所述伺服电机传动机构(3)进行角速度、角加速度和偏转角度的测量，生成测量信号，并将测量信号传输至伺服控制器(1)，所述伺服控制器(1)根据测量信号调整模糊规则库(122)内的模糊规则参数。

9.根据权利要求7所述一种伺服控制系统，其特征在于，还包括雷达接收机(6)，所述雷达接收机(6)用于检测所述天线机构(4)的偏转方向数据，进行数据处理，生成误差信号传输至伺服控制器(1)。

10.一种伺服控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1.伺服控制器(1)采集误差信号，将误差信号进行数据预测平滑处理，将处理周期内的误差信号平滑成线性；

步骤S2.制定模糊规则表，根据模糊规则表调节PID运算参数，根据PID运算参数对数据预测平滑处理后的误差信号进行PID运算，得伺服驱动信号；

步骤S3.伺服驱动模块(2)对伺服驱动信号进行数据处理，生成控制信号；伺服电机传动机构(3)根据控制信号进行运转。