CN107678276A - 一种基于转台控制的自适应复合控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于转台控制的自适应复合控制方法，属于高精度转台伺服控制技术领域，通过自适应PID控制参数和速度、加速度前馈复合控制方法，满足了不同运动模式下控制精度和相应速度的要求，且很好地解决了不同模式切换时带来的转台输出冲击问题，从而极大地提高了转台的动态控制性能。

Description

一种基于转台控制的自适应复合控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于转台控制的自适应复合控制方法。
背景技术
高精度转台是一种重要的惯导标定测试和半实物仿真试验设备，通过其可以给被测产品提供精确的位置、速率和加速度激励，从而对被测件进行误差系数标定、频率响应测试，或给被测件提供模拟真实飞行轨迹的连续物理姿态。
随着惯导技术的不断发展，不但其位置、速率的测量精度越来越高，加速度、带宽等动态工作性能也越来越高。因此，对测试转台的精度指标和动态性能的要求也越来越高。特别是对于高性能的仿真测试转台，加速度和双十带宽指标是决定控制系统半实物仿真试验能力的关键因素，同时也是标志设备性能的最关键指标。
为满足加速度和双十带宽指标要求，在仿真转台的控制系统设计中，高性能的控制算法和快速的伺服控制周期是关键要素。通过优化控制算法，可以提高转台的动态控制品质；通过较小伺服控制周期，可以提高动态跟踪性精度，也可以提高系统带宽。
目前，对于仿真转台的控制算法研究和应用虽然比较多，但要么是关注在各种先进的控制理论研究以解决某类特殊或复杂的问题，而难以推广以解决普遍的工程问题；要么是直接采用工程上比较成熟的PID等控制算法，简单实用，难以满足高性能的控制要求。
此外，由于仿真转台工作在位置、速率、角振动、仿真等多种运动模式下，各运动模式要求的控制精度和响应速度不同，其控制策略和参数也不同。在转台连续运动过程中从一种运动模式切换到另一种模式时，由于控制参数的突变，会带来输出的冲击，导致控制品质下降，甚至失控。
传统的转台PID控制算法采用如下的离散公式，：
上式中u(n)代表本控制周期内控制输出量；e(n)代表本控制周期内目标位置和反馈位置的差值；Kp、Ki和Kd代表比例、积分、微分系数，均是固定的值。
由于在动态转台的伺服运动控制过程中，每帧控制周期内，转台的目标位置和反馈位置都是动态变化的，特别是在做高频角振动和仿真之类的复杂运动时，不同帧周期内e(n)值的变化非常大，因此固定的Kp值难以满足快速跟踪的动态控制要求。此外，转台在执行角振动、仿真等动态模式的运动时，所需要的Kp值比执行位置、速率等静态模式的运动时要大很多。如果在运动过程中由静态到动态运动模式切换时，在新的帧周期内直接给入切换后动态模式的很大的Kp值，会造控制输出量的突变，对转台运动造成冲击，从而导致转台失控。此外，对于加速度和双十带宽要求比较高的仿真转台中，单纯的PID算法难以满足要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种基于转台控制的自适应复合控制方法，解决动态控制精度和模式切换带来的输出量冲击问题。
本发明的方法的技术方案是：一种基于转台控制的自适应复合控制方法，包括下列步骤：
(1)将转台的运动模式分为位置、速率、角振动、仿真4种模式；通过前期让转台在每种单一运动模式下连续运行，调试得到各模式下相应的控制参数；控制参数中积分系数Ki和微分系数Kd在各种运动模式下是相同的，其余控制参数在各种运动模式下不同，分别记为：
位置模式下：比例系数下限值Kpmin1、比例调节系数Kpscale1、比例系数上限值Kpmax1、速度前馈系数Kvff1、加速度前馈系数Kaff1；
速率模式下：比例系数下限值Kpmin2、比例调节系数Kpscale2、比例系数上限值Kpmax2、速度前馈系数Kvff2、加速度前馈系数Kaff2；
角振动模式下：比例系数下限值Kpmin3、比例调节系数Kpscale3、比例系数上限值Kpmax3、速度前馈系数Kvff3、加速度前馈系数Kaff3；
仿真模式下：比例系数下限值Kpmin4、比例调节系数Kpscale4、比例系数上限值Kpmax4、速度前馈系数Kvff4、加速度前馈系数Kaff4；
(2)转台的控制采用计算机离散控制的方法，以周期为T循环进行伺服运算，每次伺服运算时，重新置入新的控制参数，每一个控制参数的上一帧记为n-1，本帧记为n；n为大于1的正整数；
(3)当转台以某种运动模式开始连续运动时，每次进入新的循环周期后，首先计算出本控制周期内目标位置和反馈位置的误差值e(n)，并从寄存器读入上一帧寄存下来的误差值e(n-1)；所述目标位置和反馈位置由外部系统测量得到；
然后按照下式计算本帧的比例系数Kp(n)：
其中emax为最大误差限值，一般取100；
再按照下式计算本帧的控制输出量u(n)：
其中，Vcom(n)和Acom(n)分别为当前帧的速度指令值和加速度指令值，由外部输入给定；
(4)当转台在连续运动过程中运动模式发生变化时，在新周期帧内，首先判断新模式的比例系数下限值Kpmin是否小于旧模式的值；当小于时，直接给入新模式的各控制参数，计算并得到盖帧的控制输出量u(n)；
当新模式的比例系数下限值Kpmin大于旧模式的值时，在随后的连续控制帧内逐步增加Kpmin的值(一般加1)，直到Kpmin的值达到新模式的Kpmin值；所述每一帧参数变化后均计算并得到该帧的控制输出量u(n)；
(5)同理，当转台连续运动过程中运动模式发生变化时，速度前馈系数Kvff和加速度前馈系数Kaff的值也安照上述方法进行判断；当新模式的值小于旧模式的值时，直接给入；当新模式的值大于旧模式的值时，在随后的连续控制帧内逐步增加Kvff和Kaff的值(一般加1)，直到Kvff和Kaff的值达到新模式的Kpmin值；
(6)计算得到的控制输出量u(n)，经D/A转换，送功放电路放大后，驱动转台电机进行转动。
本发明与现有技术相比的优点在于：采用了通过当前误差值调节比例系数和根据不同运动模式采用不同的控制参数，并在运动模切换时牵引Kpmin的方法，以及增加可动态调整的速度前馈系统和加速度前馈系数的复合控制方法，起到了根据当前运动模式和实际误差值自动调整控制参数的自适应控制算法以及运动模式切换时输出量平稳过渡的作用，从而达到了提高转台动态控制品质、提高加速度能力和双十带宽响应频率，以及在运动过程中模式切换时没有冲击的好处。通过上述转台自适应复合控制方法，满足了不同运动模式下控制精度和响应速度的要求，且很好地解决了不同模式切换时带来的转台输出冲击问题。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
本发明一种基于转台控制的自适应复合控制方法，包括下列步骤：
(1)本发明首先在传统PID控制算法的基础上，增加了速度和加速度前馈，采用复合控制的算法。且将原来固定的比例系数Kp变为每控制帧内可动态调整的Kp(n)。同时，将每帧的速度和加速度前馈系数也变为可调整的Kvff(n)和Kaff(n)。具体的控制算法如下式：
(2)每一帧的Kp(n)是在下限值Kpmin和上限值Kpmax之间动态变化的。
(3)位置模式下，取下限值Kpmin1＝20。比例调节系数Kpscale1＝0.2，最大误差限值emax＝100，即Kpmax1＝Kpmin+Kpscale×emax＝40。取Kvff1＝10，Kaff1＝20。
(4)角振动模式下，取下限值Kpmin3＝80。比例调节系数Kpscale3＝0.5，最大误差限值emax＝100，即Kpmax3＝130。取Kvff3＝60，Kaff1＝90。
(5)每控制帧中实际采用的Kp(n)值随当前实际的位置误差e(n)值而进行自适应调整，即
(6)在转台控制程序中，设置三个布尔型的状态标志量Kpdriver、 Kvdriver和Kadriver，分别表示是否需要进行控制参数Kp、Kvff和Kaff的牵引，其初始化值均为F。
(7)在转台以角振动模式开始运行后，首先根据Kpmin3、Kpscale3、Kpmax3、 emax以及当前e(n)的值，按式(2)计算Kp(n)值。
然后根据Kp(n)、Kvff3(n)、Kaff3(n)以及其它参数，按式(1)计算控制输出量u(n)。保持Kpdriver、Kvdriver和Kadriver的值均为F。
(8)此后，当运动模式由角振动模式切换到位置模式时，直接给入位置模式的控制参数Kpmin1、Kpscale1、Kpmax1、Kvff1、Kaff1，并保持Kpdriver、Kvdriver 和Kadriver的值均为F。
(9)再此后，当运动模式由位置模式切换到角振动模式时，取Kpmin(n)＝ Kpmin(n-1)+1，并设Kpdriver＝T；取Kvff(n)＝Kvff(n-1)+1，并设Kvdriver＝T；取 Kaff(n)＝Kaff(n-1)+1，并设Kadriver＝T。
(10)在随后的若干个控制周期内，继续增加Kpmin(n)，直到达到Kpmin3时，设Kpscale(n)＝Kpscale3，并设Kpdriver＝F，表示比例系数牵引完成；继续增加Kvff(n)，直到达到Kvff3时，设Kvdriver＝F，表示速度前馈系数牵引完成；继续增加Kaff(n)，直到达到Kaff3时，设Kadriver＝F，表示加速度前馈系数牵引完成。
通过上述转台自适应复合控制方法，满足了位置和角振动不同运动模式下控制精度和响应速度的要求，且很好地解决了从位置模式切换到角振动模式时带来的转台输出冲击问题。

Claims (7)

1.一种基于转台控制的自适应复合控制方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)通过前期让转台在每种单一运动模式下连续运行，调试得到各模式下相应的控制参数；控制参数中积分系数Ki和微分系数Kd在各种运动模式下是相同的，其余控制参数在各种运动模式下不同；
(2)转台以周期为T循环进行伺服运算，每次伺服运算时，重新置入新的控制参数，每一个控制参数的上一帧记为n-1，本帧记为n；n为大于1的正整数；
(3)当转台以某种运动模式开始连续运动时，每次进入新的循环周期后，先计算出本控制周期内目标位置和反馈位置的误差值e(n)，并从寄存器读入上一帧寄存下来的误差值e(n-1)；按照下式计算得到本帧的控制输出量u(n)；
(4)计算得到的控制输出量u(n)，经D/A转换，送功放电路放大后，驱动转台电机进行转动。
2.根据权利要求1所述的一种基于转台控制的自适应复合控制方法，其特征在于：所述其余控制参数为：比例系数下限值Kpmin、比例调节系数Kpscale、比例系数上限值Kpmax、速度前馈系数Kvff、加速度前馈系数Kaff。
3.根据权利要求2所述的一种基于转台控制的自适应复合控制方法，其特征在于：所述本帧的控制输出量的u(n)的具体计算过程为：
其中，Vcom(n)和Acom(n)分别为当前帧的速度指令值和加速度指令值，由外部输入给定；Kp(n)为本帧的比例系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于转台控制的自适应复合控制方法，其特征在于：所述本帧的比例系数Kp(n)的具体计算过程为：
其中emax为最大误差限值。
5.根据权利要求1-4任意所述的一种基于转台控制的自适应复合控制方法，其特征在于：当转台在连续运动过程中运动模式发生变化时，在新周期帧内，首先判断新模式的变化系数下限值是否小于旧模式的值；当小于时，直接给入新模式的各控制参数，计算并得到该帧的控制输出量u(n)；当新模式的变化系数下限值大于旧模式的值时，在随后的连续控制帧内逐步增加变化系数的值，直到变化系数的值达到新模式的变化系数值；所述每一帧参数变化后均计算并得到该帧的控制输出量u(n)。
6.根据权利要求1-4任意所述的一种基于转台控制的自适应复合控制方法，其特征在于：所述转台的运动模式分为位置模式、速率模式、角振动模式、仿真模式。
7.根据权利要求5任意所述的一种基于转台控制的自适应复合控制方法，其特征在于：所述的变化系数包括比例系数下限值Kpmin、速度前馈系数Kvff、加速度前馈系数Kaff。
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