CN107608231A - 一种导引头稳定平台的调试方法 - Google Patents

Abstract

一种导引头稳定平台的调试方法，涉及伺服控制技术领域。解决现有xPC在导引头稳定平台的伺服系统设计中仅限于验证某种先进控制器算法或者实现硬件在环的设备测试，而没有一套规范的调试方法等问题，该系统包括：宿主机、目标机和数据采集卡，调试方法包括速度极性判断、系统辨识、速度环控制器设计及调试(包括扰动观测器设计及调试、PID控制器设计及调试、前馈控制器设计及调试)、速度环控制器离散化调试、位置极性判断、位置环控制器离散化设计及调试、基于DSP的系统速度环调试、基于DSP的系统双闭环调试。本发明集成度高，实现快速原型、硬件在回路中的测试和与仿真，修改设计方便易于调试，缩短了设计周期。

Description

一种导引头稳定平台的调试方法

技术领域

本发明涉及伺服控制技术领域，具体涉及一种导引头稳定平台的调试方法。

背景技术

导引头稳定平台是实现目标跟踪和视轴稳定的执行机构，具有搜索、捕获、瞄准、稳定、跟踪等功能，其性能直接影响导引头的制导精度。导引头稳定平台搭建完后，需要设计出满足性能指标要求的伺服系统，其伺服系统调试是一个反复的过程，也是机电一体化共同作用的过程，如何减少不必要的过程，快速的调试系统非常重要。以往的系统设计中，根据稳定平台的理论、电机模型及传动系统模型，并加入相应的非线性模型建立系统的非线性传递函数模型，由该模型进行系统内外环的控制器设计，将理论设计的参数应用到实际系统中，由于理论模型和实际模型差别大，控制效果比较差。以往也有搭建系统物理模型后直接对系统进行调试的方法，该调试方法适合于系统各个接口程序均已编写好，且需要反复在编程软件诸如CCS中进行修改参数，下载到芯片RAM中进行调试，调试的时间长且回收数据麻烦不能进行实时监控。

对有实物参与到回路中的仿真，可以采用xPCTarget技术进行半实物仿真，该技术利用Matlab的Simulink模型生成的xPC目标实时应用程序可实时地运行在普通PC机上，进而通过普通I/0设备实现与实物连接完成系统半实物仿真。相比较于专用仿真机或采用仿真语言或高级语言编写的程序等方法进行仿真，该方法以其低成本，周期短、高效率得到广泛应用。

xPC在导引头稳定平台的伺服系统设计方面也有相应的应用，很多文献中都有涉及，但是仅限于验证某种先进控制器算法或者实现硬件在环的设备测试，而如何利用这种快速原型方法实现导引头稳定平台系统的快速调试没有一套较为合理和完善的规范流程。

发明内容

本发明为解决现有xPC在导引头稳定平台的伺服系统设计中仅限于验证某种先进控制器算法或者实现硬件在环的设备测试，而没有一套规范的调试方法等问题，提供一种导引头稳定平台的调试方法。

一种导引头稳定平台的调试方法，包括调试系统，所述调试系统包括宿主机、目标机和数据采集卡，所述宿主机用于搭建Simulink模型并生成xPC实时内核以及用于传感器数据的显示和保存；目标机用于运行xPC实时内核，数据采集卡用于实现目标机与导引头稳定平台内部硬件电路及传感器的数据传输，快速调试方法由以下步骤实现：

步骤一、速度极性判断；

在宿主机上搭建速度极性判断模型，生成xPC实时内核并在目标机上运行，数据采集卡将目标机输出的速度极性与系统规定的速度极性对比，判断极性是否一致，如果是，则导引头稳定平台的速率陀螺反馈的极性不变，如果否，则导引头稳定平台的速率陀螺反馈的极性取反；

步骤二、系统辨识；

根据相关测量法在宿主机上搭建系统辨识Simulink模型，生成xPC实时内核并在目标机上运行，由相关测量法和系统输入输出得到系统的频率特性曲线，然后根据该频率特性曲线采用最小二乘法对系统进行辨识，获得辨识后的系统；

步骤三、速度环控制器设计及调试；

步骤三一、根据步骤二中获得的辨识后的系统，在宿主机上设计扰动观测器模型，并生成xPC实时内核，在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出验证设计的扰动观测器是否满足要求；

步骤三二、速度环PID控制器设计及调试，设计PID控制器模型，并将所述PID控制器模型搭建在步骤三一中所述的扰动观测器模型中生成xPC实时内核，并在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出得到系统的性能，反复调试直至得到满足性能指标要求的PID控制器参数；

步骤三三、前馈控制器设计及调试，设计前馈控制器模型，并将所述前馈控制器模型搭建在步骤三二中所述的PID控制器模型中生成xPC实时内核，并在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出得到系统的性能，反复调试直至得到满足性能指标要求的控制器参数；

步骤四、速度环控制器离散化调试；

将步骤三确定的控制器进行离散化，在宿主机上搭建速度环控制器离散化模型，并生成xPC实时内核，在目标机上运行，根据系统的输入和采集的系统输出得到离散化后系统的性能，如果不满足性能指标要求，则反复调试步骤三、步骤四直至系统满足速度环性能指标要求；

步骤五、位置极性判断，在宿主机上搭建位置极性判断模型，生成xPC实时内核并在目标机上运行，将系统的输入输出与系统规定的位置极性对比，判断极性是否一致，如果一致则位置传感器反馈极性不变，如果不一致则位置传感器反馈极性取反；

步骤六、位置环控制器离散化设计及调试，设计位置环控制器模型，将位置环控制器模型搭建在步骤四的速度环控制器离散化模型中生成xPC实时内核，并在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出得到离散化系统双闭环后的性能，反复调试直至控制器参数满足性能指标要求；

步骤七、基于DSP的系统速度环调试，根据步骤四确定的速度环离散化控制器参数，在DSP中进行嵌入式开发并进行基本性能测试，反复调试直至系统满足速度环性能指标要求；

步骤八、基于DSP的系统双闭环调试，根据步骤六确定的离散系统位置环控制器参数和步骤七确定的满足要求的速度环控制器参数，在DSP中进行嵌入式开发，并进行双闭环性能测试，反复调试直至系统满足双闭环性能指标要求。

本发明的有益效果：本发明所述调试方法中，需要建立9个Simulink模型文件，分别为：速度极性判断模型、系统辨识模型、扰动观测器模型、PID控制器模型(该模型以扰动观测器作为内层模型)、含前馈控制的控制器模型(该模型以PID控制器作为内层模型，也即最终的速度环控制器)、速度环控制器离散化模型、位置极性判断模块、位置环控制器离散化模型(该模型以速度环控制器离散化模型作为内层模型)、CAN通讯模型(用于基于DSP的系统调试时通讯)，不同的调试步骤采用不同的Simulink模型生成相应的xPC实时内核，并在目标机上运行。

本发明利用xPCTarget技术的实时仿真功能进行交互的设计出满足要求的伺服系统控制器，本发明系统化的给出了一种导引头稳定平台的调试方法，系统搭建简单，可以通过编写绘图程序，将系统的响应快速显示，调节直观，方便操作；规范的调试方法缩短了开发时间，节省了成本，提高了整定效率及效果。

附图说明

图1为本发明所述的一种导引头稳定平台的调试方法中速度环控制器调试系统结构示意图；

图2为本发明所述的一种导引头稳定平台的调试方法中位置环控制器调试系统结构示意图；

图3为本发明所述的一种导引头稳定平台的调试方法中基于DSP调试系统结构示意图；

图4为本发明所述的一种导引头稳定平台的调试方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，一种导引头稳定平台的调试方法，结合图1，调试系统包括宿主机、目标机、数据采集卡、导引头稳定平台(电路板、速率陀螺、位置传感器、执行机构)。调试系统采用xPCTarget实现快速原型，调试出满足要求的控制器参数后，再基于DSP进行嵌入式开发。系统调试目的不同，系统的数据连接接口不同，电路板包括驱动电路和控制电路及二者的外围电路，进行速度极性判断、系统辨识、速度环控制器设计及调试(包括扰动观测器设计及调试、PID控制器设计及调试、前馈控制器设计及调试)、速度环控制器离散化调试等模型调试时数据接口连接如图1所示；

进行位置极性判断、位置环控制器离散化设计及调试等模型调试时数据接口连接如图2所示；

基于DSP系统调试和CAN通讯过程时数据接口连接如图3所示。

整个调试过程需要建立9个Simulink模型文件，分别为：速度极性判断模型、系统辨识Simulink模型、扰动观测器模型、PID控制器模型(该模型以扰动观测器作为内层模型)、前馈控制器模型(该模型以PID控制器作为内层模型，也即最终的速度环控制器)、速度环控制器离散化模型、位置极性判断模块、位置环控制器离散化模型(该模型以速度环离散化模型作为内层模型)、CAN通讯模型(用于基于DSP的系统调试时通讯)。系统调试进行到不同的步骤时，采用不同的Simulink模型生成相应的xPC实时内核，并在目标机上运行。该实施例调试方法依照图4所示的流程图进行，具体如下：

1)速度极性判断。

a)在宿主机搭建速度极性判断Simulink模型用于生成xPC实时内核，并在目标机上运行，记录系统的输入和系统输出；

b)将系统的输入和系统输出与系统规定的速度极性对比，判断极性是否一致，如果一致陀螺反馈极性不变，如果不一致则步骤a)中陀螺反馈极性取反；

本实施方式所述的系统的输入输出，具体实施过程可以为：给定系统正弦输入信号，记录系统的输出，并观察系统的运动方向，如果系统输入输出及其运动方向与系统规定的极性一致，则当前极性不变，否则将陀螺的反馈极性取反。

系统规定的速度极性指的是现有技术规定的极性：以弹体坐标系为基准，沿OX1轴方向，从弹尾向前看，规定速度的方向如下：

俯仰轴：光轴向上方运动为正，反之为负；偏航轴：光轴向左方运动为正，反之为负。

2)系统辨识。根据相关测量法在宿主机上搭建系统辨识Simulink模型，生成xPC实时内核并在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出得到系统的频率特性曲线，然后根据该频率特性曲线采用最小二乘法对系统进行辨识；

3)速度环控制器设计及调试。

a)根据步骤2)辨识的系统设计扰动观测器，将含扰动观测器的控制模型搭建在Simulink中，生成xPC实时内核并在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出验证设计的扰动观测器是否满足要求；

b)速度环PID控制器设计及调试。将PID控制器搭建在步骤a)中所述Simulink模型中生成xPC实时内核，并在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出得到系统的性能；

c)判断系统性能是否满足指标要求，满足要求则进入步骤d)，不满足则重复步骤b)直至控制器参数满足性能指标要求；

d)前馈控制器设计及调试。设计前馈控制器，将其搭建在步骤b)中所述Simulink模型中生成xPC实时内核，并在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出得到系统的性能；

e)判断系统性能是否满足指标要求，满足要求则进入步骤4)，不满足则重复步骤d)直至控制器参数满足性能指标要求；

4)速度环控制器离散化调试。

a)将步骤3)确定的控制器进行离散化，将其搭建在Simulink模型中生成xPC实时内核，并在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出得到离散化后系统的性能；

b)判断系统性能是否满足性能指标要求，满足要求则进入步骤5)，不满足则重复步骤3)4)直至控制器参数满足性能指标要求；

本实施方式中，所述的系统性能指标指的是导引头的性能指标，具体包括速度环性能指标：带宽、阶跃响应上升时间、调节时间、超调量、稳态误差等。双闭环后系统性能指标：隔离度、带宽、阶跃响应上升时间、调节时间、超调量、稳态误差等，这些指标是导引头共有的性能指标，针对不同型号的导引头指标可能不同。

5)位置极性判断。

a)在宿主机上搭建位置极性判断Simulink模型，生成xPC实时内核并在目标机上运行，记录系统的输入和系统输出；

b)将系统的输入和系统输出与系统规定的位置极性对比，判断极性是否一致，如果一致则位置传感器反馈极性不变，如果不一致则步骤a)中位置传感器反馈极性取反；

本实施方式所述的系统的输入输出，具体实施过程可以为：给定系统正弦输入信号，记录系统的输出，并观察系统的运动方向，如果系统输入输出及其运动方向与系统规定的极性一致，则当前极性不变，否则将位置传感器反馈极性取反。

系统规定的位置极性指的是现有技术规定的极性：以弹体坐标系为基准，沿OX1轴方向，从弹尾向前看，规定位置的方向如下：

俯仰轴：光轴在弹体上方为正，反之为负；偏航轴：光轴在弹体右方为正，反之为负。

6)位置环控制器离散化设计及调试。

a)设计PI控制器，将PI控制器搭建在步骤4)的Simulink模型中生成xPC实时内核，并在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出得到离散化系统双闭环后的性能；

b)判断系统性能是否满足指标要求，满足要求则进入步骤7)，不满足要求则重复步骤a)直至控制器参数满足性能指标要求；

7)基于DSP的系统速度环调试。

a)根据步骤4)确定的速度环离散化控制器参数，在DSP中进行嵌入式开发并进行基本性能测试；

b)判断系统性能是否满足要求，满足要求则进入步骤8)，不满足要求则重复步骤a)直至系统满足性能指标要求；

8)基于DSP的系统双闭环调试。

a)根据步骤6)确定的离散系统位置环控制器参数和步骤7)确定的满足要求的速度环控制器参数，在DSP中进行嵌入式开发，进行双闭环性能测试；

b)判断系统性能是否满足要求，满足要求则停止，不满足要求则重复步骤a)直至控制器参数满足性能指标要求。

本实施方式采用xPCTarget实现快速原型，调试出满足要求的参数后，再基于DSP进行嵌入式开发。

本实施方式中，所述的基于DSP的嵌入式开发阶段，系统验证速度环控制器设计时，需要在CCS(Code Composer Studio)中编程完成速率陀螺的信号采集及解码工作用于速度反馈控制；系统验证位置环控制器设计时，需要在CCS中编程完成位置传感器的信号采集及解码工作用于位置反馈控制。

本实施方式中，所述的速度环的PID控制器可以为其他控制器，也可以为各种形式的改进PID控制器，需要根据实际系统需求设计控制器，所述的位置环控制器需要根据实际系统需求设计控制器。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

以上为本发明的具体实施方式，但绝非对本发明的限制，任何在本发明的精神范围内所做的改动或等效替换均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种导引头稳定平台的调试方法，包括调试系统，所述调试系统包括宿主机、目标机和数据采集卡，所述宿主机用于搭建Simulink模型并生成xPC实时内核以及用于传感器数据的显示和保存；目标机用于运行xPC实时内核，数据采集卡用于实现目标机与导引头稳定平台内部硬件电路及传感器的数据传输，其特征是；快速调试方法由以下步骤实现：

步骤一、速度极性判断；

在宿主机上搭建速度极性判断模型，生成xPC实时内核并在目标机上运行，数据采集卡将目标机输出的速度极性与系统规定的速度极性对比，判断极性是否一致，如果是，则导引头稳定平台的速率陀螺反馈的极性不变，如果否，则导引头稳定平台的速率陀螺反馈的极性取反；

步骤二、系统辨识；

根据相关测量法在宿主机上搭建系统辨识Simulink模型，生成xPC实时内核并在目标机上运行，由相关测量法和系统输入输出得到系统的频率特性曲线，然后根据该频率特性曲线采用最小二乘法对系统进行辨识，获得辨识后的系统；

步骤三、速度环控制器设计及调试；

步骤三一、根据步骤二中获得的辨识后的系统，在宿主机上设计扰动观测器模型，并生成xPC实时内核，在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出验证设计的扰动观测器是否满足要求；

步骤三二、速度环PID控制器设计及调试，设计PID控制器模型，并将所述PID控制器模型搭建在步骤三一中所述的扰动观测器模型中生成xPC实时内核，并在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出得到系统的性能，反复调试直至得到满足性能指标要求的PID控制器参数；

步骤三三、前馈控制器设计及调试，设计前馈控制器模型，并将所述前馈控制器模型搭建在步骤三二中所述的PID控制器模型中生成xPC实时内核，并在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出得到系统的性能，反复调试直至得到满足性能指标要求的控制器参数；

步骤四、速度环控制器离散化调试；

将步骤三确定的控制器进行离散化，在宿主机上搭建速度环控制器离散化模型，并生成xPC实时内核，在目标机上运行，根据系统的输入和采集的系统输出得到离散化后系统的性能，如果不满足性能指标要求，则反复调试步骤三、步骤四直至系统满足速度环性能指标要求；

步骤五、位置极性判断，在宿主机上搭建位置极性判断模型，生成xPC实时内核并在目标机上运行，将系统的输入输出与系统规定的位置极性对比，判断极性是否一致，如果一致则位置传感器反馈极性不变，如果不一致则位置传感器反馈极性取反；

步骤六、位置环控制器离散化设计及调试，设计位置环控制器模型，将位置环控制器模型搭建在步骤四的速度环控制器离散化模型中生成xPC实时内核，并在目标机上运行，根据系统输入和采集的系统输出得到离散化系统双闭环后的性能，反复调试直至控制器参数满足性能指标要求；

步骤七、基于DSP的系统速度环调试，根据步骤四确定的速度环离散化控制器参数，在DSP中进行嵌入式开发并进行基本性能测试，反复调试直至系统满足速度环性能指标要求；

步骤八、基于DSP的系统双闭环调试，根据步骤六确定的离散系统位置环控制器参数和步骤七确定的满足要求的速度环控制器参数，在DSP中进行嵌入式开发，并进行双闭环性能测试，反复调试直至系统满足双闭环性能指标要求。

2.根据权利要求1所述的一种导引头稳定平台的调试方法，其特征在于，采用xPCTarget实现快速原型，调试出满足要求的参数后，再基于DSP进行嵌入式开发。

3.根据权利要求1所述的一种导引头稳定平台的调试方法，其特征在于，所述基于DSP的嵌入式开发阶段，系统验证速度环控制器设计时，需要在CCS中完成速率陀螺的信号采集及解码用于速度反馈控制；系统验证位置环控制器设计时，需要在CCS中完成位置传感器的信号采集及解码用于位置反馈控制。