CN109000522B - 差动式双余度舵机的安全优化控制方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于舵机控制领域,特别是涉及一种适用于差动式双余度舵机的差速控制方法。
背景技术
采用多重安全余度策略是提升导弹舵机的可靠性、安全性的重要手段。近年来,差动机构因为其具有多输入单输出,部分机构冗余、不存在力纷争等安全性能特点,开始运用在多余度舵机上,如公开号CN104850036A的专利《一种双冗余电动舵机控制系统及方法》,采用差动周转轮系减速机作为冗余驱动机构,但在控制上两电机输入并不同时工作,一个电机工作时,另一个电机作为冷备份;公开号为CN106321770A的专利《一种双余度电动舵机》采用行星差动轮系作为冗余驱动机构,但采用两电机等比例驱动互为热备份方式。目前,采用冗余驱动式的电动舵机虽然实现了双余度,但是其差速控制策略仍鲜有研究。公开号CN102412657A的文献《机械协调冗余容错驱动装置》表明,当差动输入的电机速度大小相近,方向相反时,输出为低速输出,此状态运用在舵机上,可以有效防止低速下舵面的抖动和爬行。差动式舵机同样的速度输出可以通过无数种速度输入组合来实现,通过对两电机不同输入速度的规划,可以实现功率分配,差速低速输出等特性,有效提高舵机的安全工作性能。在差动式双余度舵机的控制上,仍然有很大程度上的优化空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题:为了进一步提高舵机的安全工作性能,本方法通过全局优化方法设计优化指标,根据实际舵机的工况调整电机的速度指令分配策略,获得差动式双余度舵机正常工作状态下的安全可靠最大化。
本发明的技术方案是:
一种差动式双余度舵机的安全优化控制方法:舵机上的控制器通过总线接收弹上计算机的舵偏指令信号,通过传感器获得舵偏速度反馈,两电机转速反馈与电流反馈,根据实际舵机的工况调整电机的速度指令分配,发送两电机的控制指令。
舵机上的控制器通过接收的舵指令ωd,电机1和电机2的速度反馈ω1和ω2,电机1和电机2的电流反馈I1和I2,建立以差速运动机构转速ωc为自变量的性能指标表达式H(ωc),通过两电机的速度极限求取差速运动轴的转速ωc的取值范围,并在ωc的取值范围内求取minH(ωc)对应的最后通过转速关系反解电机的对应期望速度ω1d和ω2d。
本发明的有益效果:
(1)本发明的控制策略在冗余驱动舵机的应用上具有通用性。本发明适用于多种差动式双余度舵机,从运动连带关系的角度都可以将差速机构划分为四个部分:速度输入机构1,速度输入机构2,差速运动机构,速度输出机构。通过传动关系和能量守恒折算相应机构的等效惯量和等效转速,建立通用的差动式双余度舵机控制模型。
(2)本发明的控制策略能根据舵机的运行状态选择合适的差速运动策略,提高了舵机的安全工作性能,结合性能评价指标H进行说明,包括以下几个方面:
当导弹高速飞行时,舵面处于大负载低转速状态,此时对指标影响主要为k1W1、k2W2项,将指标最小化有利于均化电机的负载,提高安全性和可靠性。
当舵面负载较小时,需要舵机具有快速响应的能力。此时对指标影响最大为k3T项,将指标最小化有利于让电机输入速度达到同比,提高舵面转速和响应速度。
附图说明:
图1为冗余驱动差速机构示例。
图2为冗余驱动舵机控制系统示意图。
图3为全局优化控制策略控制流程图。
具体实施方式
实施例:
本方法适用于多种冗余驱动舵机,以下结合图1的示例进行说明:图1中,左右锥齿轮进行速度输入,则左右锥齿轮分别为速度输入机构1,速度输入机构2;左右锥齿轮的速度差驱动上下锥齿轮进行转动,上下锥齿轮为差速运动机构;左右锥齿轮的平均速度驱动直齿轮和输出轴转动,直齿轮和输出轴为速度输出机构。根据传动关系,建立四根轴:输入轴1、输入轴2、差速运动轴、输出轴,如图1所示。其转速分别设为ω1、ω2、ωc、ωo,根据质量惯性等参数分别求取其等效转动惯量J1、J2、Jc、Jo。其转速满足传动关系:
ωc=i1ω1-i2ω2 (1)
同时也满足能量等效关系:
其中i1,i2为冗余驱动机构速度合成的传动参数,在图1中,i1=i2=1。
到此,将具体的传动机构抽象为普遍的,通用的冗余驱动差速机构。结合图2的冗余驱动舵机控制系统示意图对此进行分析。与一般的非冗余舵机不同,根据机构的冗余特性,要达到期望的舵轴输出ωo,有无数种速度输入ω1、ω2可以满足要求。因此在策略上具有调节的余地,使舵机处于最优的控制状态。综合考虑机械能输出,充分利用差速获得高精度,平衡电机之间的功率分配,设计如下性能指标:
其中k1~k4为权重参数,n为常数,W1,W2分别为电机1与电机2的功率。可以通过电机的电流反馈结合速度反馈来估计:W1=ke1I1ω1,W2=ke2I2ω2,其中ke1,ke2分别为电机1,电机2的力矩常数。H的值越小表征舵机的控制状态越好,因此需要在可行解范围内求取H的最小值,具体的实施流程如图3。
首先,控制器接收弹上舵指令ωd,采集两电机电流和电压,计算电机功率W1,W2。通过电机的特性曲线,可得到电机的状态下运行速度的上下限,设电机1的运行速度范围为[ω1min,ω1max],电机2的运行速度范围[ω2min,ω2max],由运动关系(1)式、(2)式:
求取ωc的取值范围U=[ωcmin,ωcmax],值得注意的是,U可能是空集,表示电机需要过载运行才能到达期望速度,此时直接给定电机最大输出。
其次,计算性能指标H的最小值。由式(1),式(2)有
式(5)、式(3)代入式(4)得到性能指标H的表达式:
如果将W1,W2,ωd视为已知量,J1、J2、Jc、Jo为常数,则性能指标H在这个时刻仅为ωc的函数,记为H=H(ωc)。对ωc求导,得:
1)若A≥nB,则H(ωc)曲线只有一个极小值点,在取值区间[ωcmin,ωcmax]内以ωcmin为初值用牛顿迭代法数值求解得到解ωc1。比较H(ωcmin),H(ωc1)和H(ωcmax)的大小,求取[ωcmin,ωcmax]区间上H(ωc)的最小值点
2)若0<A<nB,则在取值区间[ωcmin,ωcmax]内分别以ωcmin、ωcmax为初值用牛顿法数值求解得到解ωc1、ωc2。比较H(ωcmin),H(ωc1),H(ωc2)和H(ωcmax)的大小,求取[ωcmin,ωcmax]区间上H(ωc)的最小值点
控制器分别以ω1d、ω2d为电机1和电机2的指令速度,对电机进行伺服控制。
Claims (2)
1.一种差动式双余度舵机的安全优化控制方法,其特征在于:舵机上的控制器通过总线接收弹上计算机的舵偏指令信号,通过传感器获得舵偏速度反馈,两电机转速反馈与电流反馈,根据实际舵机的工况调整电机的速度指令分配,发送两电机的控制指令;
舵机上的控制器通过接收的舵偏指令信号ωd,电机1和电机2的速度反馈ω1和ω2,电机1和电机2的电流反馈I1和I2,建立以差速运动轴的转速ωc为自变量的性能指标表达式H(ωc),通过两电机的速度极限求取差速运动轴的转速ωc的取值范围,并在ωc的取值范围内求取minH(ωc)对应的最后通过转速关系反解电机的对应期望速度ω1d和ω2d;
ω1、ω2、ωc、ωo分别为左锥齿轮、右锥齿轮、差速运动轴、舵轴的转速,J1 J2、Jc、Jo分别为左锥齿轮、右锥齿轮、差速运动轴、舵轴的等效转动惯量;
其中,电机1的速度用左锥齿轮的转速表示,电机2的速度用右锥齿轮的转速表示,舵偏速度采用舵轴的转速表示。
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