CN106155141A - 提高转台鲁棒性的转台控制系统及基于该系统的调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种提高转台鲁棒性的转台控制系统及基于该系统的调试方法，目的是解决现有转台控制系统鲁棒性差的问题。该系统包括上位控制器、下位控制器、逻辑切换电路、功率放大器、电机、强电及切换保护电路、传感器和电源模块。基于该转台控制系统的调试方法，包括初始化、向速度环输入阶跃信号、判断是否需要增大速度环增益、向位置环输入阶跃信号和调整速度环增益、位置环增益和反馈增益六个步骤。相比较传统的PID控制策略，本发明的转台控制系统提高了转台控制系统的鲁棒性。提出的调试方法，结合了上位控制器的友好操作接口，将关键反馈变量及理论值显示作为调试依据，保证转台控制系统工作在最优状态。

Description

提高转台鲁棒性的转台控制系统及基于该系统的调试方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种提高转台鲁棒性的转台控制系统及基于该系统的调试方法。

背景技术

惯性仪器是一种极其精密的仪器，主要包括陀螺仪和加速度计，两者都是惯性导航系统或惯性制导系统中不可缺少的核心器件。其中，陀螺仪用来检测运载器在惯性空间中的角运动，加速度计用来检测运载器运动时的比力，并进而解算出运动信息。惯导测试设备(既转台)则是评价惯性仪器的工具。转台为惯性器件及导航系统测试提供精确的角位置定位、精密的角速度等姿态模拟运动，是一种导航/制导系统、传感器的重要测试设备。以三轴转台为例，如图1所示，通常由负载安装空间1、内环2、内环轴3、中环4、中环轴5、外环6、外环轴7和底座8组成，每个控制回路均包括：环架动力学结构、电机与功率驱动系统、角运动传感器及测量系统、伺服控制器及控制单元。其中：运动伺服控制器接收测量反馈信号，并构成相应的闭环伺服系统；控制单元接收外部指令或内部产生相应的运动轨迹。

传统转台控制方法普遍采用PID控制方法，分为位置PID控制和速度PID控制，对于实际的转台系统，速度信号是通过对位置信号的数字微分得到的，采用高精度的测角元件获取位置信号。由于转台在实际工作中是一套非线性系统，决定转台性能的因素往往是系统中的非线性因素，例如轴系摩擦力矩、电机波动力矩以及测量元件的量化效应对转台性能指标都有很大影响，为此，提高转台系统鲁棒性显得尤为重要。对于控制系统来说，一方面，控制律设计的优劣直接关系到控制系统性能的高低，另一方面，控制参数的准确与否也关系到控制系统性能的好坏。对于PID控制算法需要的参数，系统调试人员往往不能够准确把握，更多依靠个人经验来调试，缺乏一套可以量化的技术手段来辅助调试，是转台控制系统工作在最优状态。

发明内容

本发明的目的是解决现有转台控制系统鲁棒性差的问题，提供一种提高转台鲁棒性的转台控制系统及基于该系统的调试方法。

本发明是这样实现的：

一种提高转台鲁棒性的转台控制系统，包括上位控制器、下位控制器、逻辑切换电路、功率放大器、电机、强电及切换保护电路、传感器和电源模块，上位控制器分别与下位控制器和强电切换保护电路连接，实现转台系统实时在线性能检测及安全保护，为用户提供友好的操作接口，实现对转台各框进行操作控制；下位控制器还分别与逻辑切换电路和传感器连接，在上位控制器的控制下，实现对转台位置、速度的控制；逻辑切换电路还分别与功率放大器连接，实现强电的切入和硬件的逻辑控制信号的切换；功率放大器还与电机连接，驱动电机转动；电机安装在转台的内框、中框和外框上，带动转台的内框、中框和外框转动；传感器安装在电机的转子上，用于采集电机转子的位置信息；强电及切换保护电路还与三个功率放大器连接，切断或连通三个功率放大器的电源及使能信号；电源为强电及切换保护电路供电。

如上所述的上位控制器接收外部输入的控制指令、来自下位控制器的数据和强电及切换保护电路的状态信息并予以显示，对接收到的信息进行处理，并向下位控制器发送控制命令或调试命令，向强电及切换保护电路发送通断信号。

如上所述的上位控制器采用通用工控机、显示器、键盘及鼠标实现。

如上所述的下位控制器接收来自传感器采集的电机位置信息，根据上位控制器发送的控制命令或调试命令，采用特定控制算法对其进行处理，向上位控制器发送数据，并向逻辑切换电路发送控制信号，进而实现对电机的控制。

如上所述的下位控制器采用工控机、高速串口、DA输出卡和角度计算卡实现；其中，下位控制器通过高速串口与上位控制器工控机连接，下位控制器工控机通过DA输出卡与逻辑切换电路连接，下位控制器工控机还通过角度计数卡与传感器的输出端连接。

如上所述的逻辑切换电路接收来自下位控制器的控制信号，分别将其输出给三个功率放大器。

如上所述的功率放大器包括内框功率放大器、中框功率放大器和外框功率放大器，还分别与三个电机连接，它接收来自逻辑切换电路的信号，并将该信号放大后发送给电机控制端。

如上所述的电机共三个，分别与三个功率放大器连接，在功率放大器的驱动下转动，驱动转台的内框、中框和外框转动。

一种基于如上所述的转台控制系统的调试方法，具体包括如下步骤：

第一步：初始化；

上位控制器向下位控制器发送调试命令，令控制算法中位置环增益P_P＝1.0，速率环增益V_P＝1.0，反馈增益F_P＝1.0；

第二步：向速度环输入阶跃信号；

上位控制器向下位控制器发送调试命令，向速度环输入阶跃信号，下位控制器向上位控制器发送数据，通过上位控制器的显示器观察该阶跃信号及速度反馈信号波形；

第三步：判断是否需要增大速度环增益；

若速度反馈信号不满足设定条件，则上位控制器向下位控制器发送调试命令，增大速度环增益，跳转至第二步；若速度反馈信号满足设定条件，进入下一步；

第四步：向位置环输入阶跃信号；

上位控制器向下位控制器发送调试命令，向位置环输入阶跃信号，下位控制器向上位控制器发送数据，通过上位控制器的显示器观察阶跃信号及位置反馈信号波形；

第五步：判断是否需要增大位置环增益；

若位置反馈信号不满足设定条件，则上位控制器向下位控制器发送调试命令，增大位置环增益，跳转至第二步；若位置反馈信号满足设定条件，进入下一步；

第六步：调整速度环增益、位置环增益和反馈增益；

上位控制器向下位控制器发送调试命令，增大反馈增益F_P为原来的n倍，速度环增益V_P缩小为原来的1/n，位置环增益P_P增大n倍。

如上所述的设定条件是：上升时间小于100ms、振荡次数不大于2次、超调量不大于50％。

本发明的有益效果是：

本发明的转台控制系统采用由采用工控机、显示器和鼠标实现的上位控制器，能够实现转台系统实时在线性能检测及安全保护，向下位机发出控制命令，接收获取各种数据并以曲线方式显示，为用户提供友好的操作接口，实现对转台各框进行操作控制。采用串联校正及反馈校正控制算法的下位控制器，相比较传统的PID控制策略，提高了转台控制系统的鲁棒性。在此基础上，提出了提高转台鲁棒性的调试方法，结合上位控制器提供的友好操作接口，将关键反馈变量及理论值用图形化的方式显示出来作为调试依据，最大程度上保证转台控制系统工作在最优状态。

附图说明

图1是典型三轴转台的结构示意图；

图2是本发明的一种转台控制系统的结构原理图；

图3是图2中下位控制器中采用的控制算法的结构原理图；

图4是图3中速度环串联校正网络的频率特性曲线；

图5是本发明的一种基于图2所示的转台控制系统的调试方法的流程图；

图6是图5的原理图；

图中：1.负载安装空间，2.内环，3.内环轴，4.中环，5.中环轴，6.外环，7.外环轴，8.底座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种提高转台鲁棒性的调试方法进行介绍：

如图2所示，一种提高转台鲁棒性的转台控制系统，包括上位控制器、下位控制器、逻辑切换电路、功率放大器、电机、强电及切换保护电路、传感器和电源模块。

其中，上位控制器分别与下位控制器和强电切换保护电路连接；它接收外部输入的控制指令、来自下位控制器的数据和强电及切换保护电路的状态信息并予以显示，此处的数据是指转台框架的角位置和角速率，采用现有技术对接收到的信息进行处理，并向下位控制器发送控制命令或调试命令，向强电及切换保护电路发送通断信号。在本实施例中，上位控制器采用通用工控机、显示器、键盘及鼠标实现，上位控制器工控机通过光电隔离I/O口与强电及切换保护电路连接。通过采用工控机、显示器和鼠标，能够实现转台系统实时在线性能检测及安全保护，向下位机发出控制命令和调试命令，接收下位控制器发送的数据并以曲线方式显示，为用户提供友好的操作接口，实现对转台各框进行操作控制。

下位控制器在上位控制器的控制下，实现对转台位置、速度的控制，它还分别与逻辑切换电路和传感器连接，它接收来自传感器采集的电机位置信息，根据上位控制器发送的控制命令或调试命令，采用特定控制算法对其进行处理，向上位控制器发送数据，并向逻辑切换电路发送控制信号，进而实现对电机的控制。在本实施例中，下位控制器采用工控机、高速串口、DA输出卡和角度计算卡实现；其中，下位控制器通过高速串口与上位控制器工控机连接，下位控制器工控机通过DA输出卡与逻辑切换电路连接，下位控制器工控机还通过角度计数卡与传感器的输出端连接。

下位机控制器的控制算法法采用工程上比较成熟的三环控制结构，如图3所示，从内到外依次为电流环、速度环和位置环。

(1)速度环串联校正

速度环串联校正环节是一个滞后校正环节，其传递函数G₂(s)表达式如下，式(1)中k_b>k_a：

$G_2=\frac{k_{a}s+1}{k_{b}s+1}=\frac{k_a}{k_b}\·\frac{s+\frac{1}{k_a}}{s+\frac{1}{k_b}}---\left(1\right)$

k_a、k_b均为比例系数；从零极点的角度考虑，速率环串联校正环节为原有系统引入了一个闭环零点和一个闭环极点，k_a越大，引入的零点越靠近虚轴，系统的响应速度越快；k_b越大，引入的极点越靠近虚轴，系统的响应速度越慢，但不容易产生自激振荡。

从幅频特性和相频特性角度考虑，有：

$L\left(\mathrm{\ω}\right)=20\lg \frac{\sqrt{{\left(k_a\mathrm{\ω}\right)}^2+1}}{\sqrt{{\left(k_b\mathrm{\ω}\right)}^2+1}}=-20\lg \frac{\sqrt{{\left(k_b\mathrm{\ω}\right)}^2+1}}{\sqrt{{\left(k_a\mathrm{\ω}\right)}^2+1}}---\left(2\right)$

设β＝k_b/k_a，绘制如图4所示的校正环节对数频率特性图。由图4可知，滞后校正的主要作用是降低中频段和高频段的开环增益，同时低频段的开环增益不受影响，兼顾静态与动态性能。而且β越大，校正网络对高频的抑制作用越强，系统的抗干扰能力也越强。但是滞后校正环节会减小系统的开环截止频率ω_c，使带宽变窄。

(2)速度环反馈校正

如图3所示，速度环的开环传递函数为：

$\frac{C\left(s\right)}{R_1\left(s\right)}=G_2\left(s\right)\·G_3\left(s\right)---\left(4\right)$

如果速率环仅采用单位反馈校正，即反馈校正的传递函数G_f(s)＝1，则速率环的闭环传递函数G_s(s)为：

$G_s\left(s\right)=\frac{G_2\left(s\right)\·G_3\left(s\right)}{1+G_2\left(s\right)\·G_3\left(s\right)\·G_f\left(s\right)}=\frac{G_2\left(s\right)\·G_3\left(s\right)}{1+G_2\left(s\right)\·G_3\left(s\right)}---\left(5\right)$

如果系统不加前馈校正，则整个系统的开环传递函数为：

$G_s\left(s\right)=G_1\left(s\right)\·\frac{G_2\left(s\right)\·G_3\left(s\right)}{1+G_2\left(s\right)\·G_3\left(s\right)}---\left(6\right)$

可见，系统的特性和被控对象G₃(s)密切相关。对一个单轴转台来说，空载和满载时转动惯量可能相差很多；对一个三轴转台来说，当中框和内框处于不同位置时对外框的影响也是不同的。

如果速度环反馈环节G_f(s)≠1，则整个系统的开环传递函数为：

$G_s\left(s\right)=G_1\left(s\right)\·\frac{G_2\left(s\right)\·G_3\left(s\right)}{1+G_2\left(s\right)\·G_3\left(s\right)\·G_f\left(s\right)}---\left(7\right)$

其开环频率特性为：

$G\left(\mathrm{j\ω}\right)=G_1\left(\mathrm{j\ω}\right)\·\frac{G_2\left(\mathrm{j\ω}\right)\·G_3\left(\mathrm{j\ω}\right)}{1+G_2\left(\mathrm{j\ω}\right)\·G_3\left(\mathrm{j\ω}\right)\·G_f\left(\mathrm{j\ω}\right)}=\frac{G_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}{G_f\left(\mathrm{j\ω}\right)}\·\frac{1}{\frac{1}{G_2\left(\mathrm{j\ω}\right)\·G_3\left(\mathrm{j\ω}\right)\·G_f\left(\mathrm{j\ω}\right)}+1}---\left(8\right)$

如果在工作频率范围内|G₂(jω)·G₃(jω)·G_f(jω)|＞＞1，那么：

$G\left(\mathrm{j\ω}\right)\≈\frac{G_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}{G_f\left(\mathrm{j\ω}\right)}---\left(9\right)$

上式表明，当速率环的开环频率特性幅值远远大于1时，反馈作用很强，校正后系统开环频率特性几乎与被控对象G₃(s)无关。而且反馈越深，速率环的特性就越接近一个比例环节。所以，把速率环反馈加深之后电机、驱动器和框架转动惯量变化带来的影响也被大大削弱，提高了算法的鲁棒性。

(3)位置环串联校正

位置环串联校正环节是一个PI控制器。首先调整位置环增益参数P_P，如果稳态误差仍然不能满足要求，适当增加位置环积分参数P_I，直到满足要求。需要注意的是，一般测试转台的速率模式是通过位置牵引方式实现的，即转台通过以一定速率走位置来实现速率功能，所以在位置和速率模式下都需要调整参数P_P和P_I。

由式(9)可知，当反馈校正环节G_f(s)的增益提高到原来的k倍时，系统开环增益近似减小了1/k，k为自然数，此时可以通过把参数P_P提高到原来的k倍来保持系统开环频率特性不变。

逻辑切换电路还分别与三个功率放大器连接，它接收来自下位控制器的控制信号，分别将其输出给三个功率放大器，实现强电的切入和硬件的逻辑控制信号的切换。在本实施例中，逻辑切换电路采用现有技术实现，它通过光电隔离I/O与上位控制器工控机连接。

功率放大器包括内框功率放大器、中框功率放大器和外框功率放大器，还分别与三个电机连接，它接收来自逻辑切换电路的信号，并将该信号放大后发送给电机控制端。在本实施例中，功率放大器采用线性功率放大器实现。

电机共三个，分别安装在转台的内框、中框和外框上，它们分别与三个功率放大器连接，在功率放大器的驱动下转动，驱动转台的内框、中框和外框转动。在本实施例中，电机采用直流力矩电机实现。

传感器安装在电机的转子上，用于采集电机转子的位置信息。在本实施例中，传感器采用光电码盘实现。

强电及切换保护电路还与三个功率放大器连接，切断或连通三个功率放大器的电源及使能信号。在本实施例中，强电及切换保护电路采用现有技术实现。

电源为强电及切换保护电路供电。在本实施例中，电源采用直流电源单元实现。

该转台控制系统的工作过程如下：

转台控制系统完成初始化后，上位控制器接收来自外部输入的控制指令、来自下位控制器的数据和强电及切换保护电路的状态信息，向下位控制器发送控制命令。下位控制器按照1ms的控制周期采集传感器的输出信号，根据上位控制器发送的控制命令采用特定控制算法进行运算，然后向逻辑切换电路发送控制信号，由逻辑切换电路将该信号转发给功率放大器，驱动电机转动，进而实现对电机的控制。

当功率放大器的电压或电流超过限定范围时，功率放大器向强电及切换保护电路发送保护信号，强电及切换保护电路切断功率放大器的电源及使能信号，并向上位控制器发送给状态信息。

如图5所示，一种基于上述转台控制系统的调试方法，具体包括如下步骤：

第一步：初始化；

上位控制器向下位控制器发送调试命令，如图6所示，令控制算法中位置环增益P_P＝1.0，速率环增益V_P＝1.0，反馈增益F_P＝1.0；

第二步：向速度环输入阶跃信号；

上位控制器向下位控制器发送调试命令，向速度环输入阶跃信号，下位控制器向上位控制器发送数据，通过上位控制器的显示器观察该阶跃信号及速度反馈信号波形；

第三步：判断是否需要增大速度环增益；

若速度反馈信号不满足设定条件，则上位控制器向下位控制器发送调试命令，增大速度环增益，跳转至第二步；若速度反馈信号满足设定条件，进入下一步；

此处的设定条件是：上升时间小于100ms、振荡次数不大于2次、超调量不大于50％。

第四步：向位置环输入阶跃信号；

上位控制器向下位控制器发送调试命令，向位置环输入阶跃信号，下位控制器向上位控制器发送数据，通过上位控制器的显示器观察阶跃信号及位置反馈信号波形；

第五步：判断是否需要增大位置环增益；

若位置反馈信号不满足设定条件，则上位控制器向下位控制器发送调试命令，增大位置环增益，跳转至第二步；若位置反馈信号满足设定条件，进入下一步；此处的设定条件为：上升时间小于100ms、振荡次数不大于2次、超调量不大于50％。

第六步：调整速度环增益、位置环增益和反馈增益；

上位控制器向下位控制器发送调试命令，增大反馈增益F_P为原来的n倍，速度环增益V_P缩小为原来的1/n，位置环增益P_P增大n倍；n取10～1000，如10、100或1000。n的取值根据系统性能实际需要采用现有技术确定。

本发明的转台控制系统采用由采用工控机、显示器和鼠标实现的上位控制器，能够实现转台系统实时在线性能检测及安全保护，向下位机发出控制命令，接收获取各种数据并以曲线方式显示，为用户提供友好的操作接口，实现对转台各框进行操作控制。采用串联校正及反馈校正控制算法的下位控制器，相比较传统的PID控制策略，提高了转台控制系统的鲁棒性。在此基础上，提出了提高转台鲁棒性的调试方法，结合上位控制器提供的友好操作接口，将关键反馈变量及理论值用图形化的方式显示出来作为调试依据，最大程度上保证转台控制系统工作在最优状态。

Claims (10)

1.一种提高转台鲁棒性的转台控制系统，包括上位控制器、下位控制器、逻辑切换电路、功率放大器、电机、强电及切换保护电路、传感器和电源模块，上位控制器分别与下位控制器和强电切换保护电路连接，实现转台系统实时在线性能检测及安全保护，为用户提供友好的操作接口，实现对转台各框进行操作控制；下位控制器还分别与逻辑切换电路和传感器连接，在上位控制器的控制下，实现对转台位置、速度的控制；逻辑切换电路还分别与功率放大器连接，实现强电的切入和硬件的逻辑控制信号的切换；功率放大器还与电机连接，驱动电机转动；电机安装在转台的内框、中框和外框上，带动转台的内框、中框和外框转动；传感器安装在电机的转子上，用于采集电机转子的位置信息；强电及切换保护电路还与三个功率放大器连接，切断或连通三个功率放大器的电源及使能信号；电源为强电及切换保护电路供电。

2.根据权利要求1所述的一种提高转台鲁棒性的转台控制系统，其特征在于：所述的上位控制器接收外部输入的控制指令、来自下位控制器的数据和强电及切换保护电路的状态信息并予以显示，对接收到的信息进行处理，并向下位控制器发送控制命令或调试命令，向强电及切换保护电路发送通断信号。

3.根据权利要求2所述的一种提高转台鲁棒性的转台控制系统，其特征在于：所述的上位控制器采用通用工控机、显示器、键盘及鼠标实现。

4.根据权利要求1或3所述的一种提高转台鲁棒性的转台控制系统，其特征在于：所述的下位控制器接收来自传感器采集的电机位置信息，根据上位控制器发送的控制命令或调试命令，采用特定控制算法对其进行处理，向上位控制器发送数据，并向逻辑切换电路发送控制信号，进而实现对电机的控制。

5.根据权利要求4所述的一种提高转台鲁棒性的转台控制系统，其特征在于：所述的下位控制器采用工控机、高速串口、DA输出卡和角度计算卡实现；其中，下位控制器通过高速串口与上位控制器工控机连接，下位控制器工控机通过DA输出卡与逻辑切换电路连接，下位控制器工控机还通过角度计数卡与传感器的输出端连接。

6.根据权利要求1所述的一种提高转台鲁棒性的转台控制系统，其特征在于：所述的逻辑切换电路接收来自下位控制器的控制信号，分别将其输出给三个功率放大器。

7.根据权利要求1所述的一种提高转台鲁棒性的转台控制系统，其特征在于：所述的功率放大器包括内框功率放大器、中框功率放大器和外框功率放大器，还分别与三个电机连接，它接收来自逻辑切换电路的信号，并将该信号放大后发送给电机控制端。

8.根据权利要求1所述的一种提高转台鲁棒性的转台控制系统，其特征在于：所述的电机共三个，分别与三个功率放大器连接，在功率放大器的驱动下转动，驱动转台的内框、中框和外框转动。

9.一种基于权利要求1所述的转台控制系统的提高转台鲁棒性的调试方法，具体包括如下步骤：

第一步：初始化；

上位控制器向下位控制器发送调试命令，令控制算法中位置环增益P_P＝1.0，速率环增益V_P＝1.0，反馈增益F_P＝1.0；

第二步：向速度环输入阶跃信号；

上位控制器向下位控制器发送调试命令，向速度环输入阶跃信号，下位控制器向上位控制器发送数据，通过上位控制器的显示器观察该阶跃信号及速度反馈信号波形；

第三步：判断是否需要增大速度环增益；

若速度反馈信号不满足设定条件，则上位控制器向下位控制器发送调试命令，增大速度环增益，跳转至第二步；若速度反馈信号满足设定条件，进入下一步；

第四步：向位置环输入阶跃信号；

上位控制器向下位控制器发送调试命令，向位置环输入阶跃信号，下位控制器向上位控制器发送数据，通过上位控制器的显示器观察阶跃信号及位置反馈信号波形；

第五步：判断是否需要增大位置环增益；

若位置反馈信号不满足设定条件，则上位控制器向下位控制器发送调试命令，增大位置环增益，跳转至第二步；若位置反馈信号满足设定条件，进入下一步；

第六步：调整速度环增益、位置环增益和反馈增益；

上位控制器向下位控制器发送调试命令，增大反馈增益F_P为原来的n倍，速度环增益V_P缩小为原来的1/n，位置环增益P_P增大n倍。

10.一种基于权利要求9所述的调试方法，其特征在于：所述的设定条件是：上升时间小于100ms、振荡次数不大于2次、超调量不大于50％。