CN109581888A - 伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法及系统，所述试验方法包含：对伺服系统进行静态标定，得到所述伺服系统的静态标定公式，以及对所述伺服系统进行动态零位补偿，得出所述伺服系统的动态零位平均值，根据所述伺服系统的静态标定公式和所述伺服系统的动态零位平均值获得对所述伺服系统进行闭环半实物仿真试验时的摆角计算公式。本发明具有提高对运载火箭进行半实物仿真时的仿真试验结论精度的优点。

Description

伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法及系统
技术领域
本发明涉及运载火箭控制系统半实物仿真技术领域，特别涉及一种运载火箭伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法及系统。
背景技术
伺服系统一般包含伺服控制器(功放)、液压伺服机构、发动机、摆角传感器及配套支架、设备、电缆等产品、设备。该伺服系统作为执行机构，在运载火箭飞行中起着决定成败的作用，因此也是半实物仿真试验的重要组成部分，也是重点考核对象。
当前的半实物仿真试验一般仅在准备阶段进行伺服系统的静态标定，标定线性度和初始零位，该技术存在如下缺陷：拟合精度不高；经多次试验后，零位可能会偏移。这些缺陷会导致对运载火箭进行半实物仿真时的仿真试验结论不准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法及系统，为后续的对运载火箭进行闭环半实物仿真试验提供精确的摆角处理公式，用以解决对运载火箭进行半实物仿真时的仿真试验结论不准确的问题。
为了解决上述问题，本发明通过以下技术方案实现：
一种伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法，包含：对伺服系统进行静态标定，得到所述伺服系统的静态标定公式，以及对所述伺服系统进行动态零位补偿，得出所述伺服系统的动态零位平均值，根据所述伺服系统的静态标定公式和所述伺服系统的动态零位平均值获得对所述伺服系统进行闭环半实物仿真试验时的摆角计算公式。
进一步的，对所述伺服系统进行静态标定包括以下过程：
步骤S1.1、生成测试信号，进入步骤S1.2；
步骤S1.2、判断所述测试信号的阶梯波形是否全部生成完成，若所述阶梯波形全部完成，则进入步骤S1.3；若所述阶梯波形未全部生成完成，则进入步骤S1.4；
步骤S1.3、对所述阶梯信号和摆角信号进行分析、拟合，得到静态标定零位及线性度修正系数，进入步骤S1.6；
步骤S1.6、获得静态标定公式；
步骤S1.4、发送所述测试信号给所述伺服系统，进入步骤S1.5；
步骤S1.5、采集所述伺服系统输出的所述摆角信号，进入步骤S1.1。
进一步的，所述测试信号为包括缓慢上升段和稳定保持段的呈阶梯波形的阶梯信号，且所述阶梯信号的两端限幅值的阶梯级数大于等于20级。
进一步的，所述静态标定公式为：
y＝kx-L静，其中，y为摆角信号，x为测试信号，k为线性度修正系数，L静为静态标定零位。
进一步的，对所述伺服系统进行动态零位补偿包括如下过程：
步骤S2.1、对闭环半实物仿真试验前n秒时刻以预设的采集周期进行时间累加，得到当前累加的时间值，进入步骤S2.2；
步骤S2.2、判断所述步骤S2.1中的当前累加的时间值是否处于零位处理时间范围内，若是，则进入步骤S2.5，若否，进入步骤S2.3；
步骤S2.3、记录当前的零位平均值，并将所述零位平均值设置为所述伺服系统的动态零位，进入步骤S2.4；
步骤S2.4、结合静态标定公式和所述伺服系统的动态零位，对所述伺服系统进行闭环半实物仿真试验；
步骤S2.5、周期性实时采集所述伺服系统的摆角值，进入步骤S2.6；
步骤S2.6、实时计算当前伺服系统的零位平均值，进入步骤S2.7；
步骤S2.7、对采集结果进行故障诊断，进入步骤S2.8；
步骤S2.8、诊断一个采集周期内所述伺服系统是否出现故障，若是，则返回步骤S2.1，若否，进入步骤S2.9；
步骤S2.9、计算当前的所述伺服系统的零位平均值，设定所述零位平均值为所述伺服系统的动态零位。
进一步的，所述步骤S2.8包括：设静态标定得到的静态标定零位为L静，零位野值偏差门限为Llim，野值故障累计计数门限为N野；对第i个采集周期内进行一拍次零位采集，零位采集值设为Lti，i∈[1,2,······，m]，若采集时长内|Lti|>|L静|+|Llim|次数大于N野，则认为目前零位状态不稳定，试验停止，重新进行零位静态标定。
进一步的，所述步骤S2.9中所述伺服系统的零位平均值通过如下公式进行计算：若采集时长内，采集了i个零位采集值，则零位平均值
进一步的，对所述伺服系统进行闭环半实物仿真试验时的摆角计算公式为：式中，y为摆角信号，x为测试信号，k为线性度修正系数，为当前时刻，所述伺服系统的零位平均值。
另一方面，一种伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验系统，包括：伺服系统和与和用于存储并执行如上文所述的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法的程序的工控机；所述伺服系统进一步包括依次连接的伺服控制器、伺服机构、发动机以及摆角传感器；所述工控机的输出端与所述伺服控制器连接，所述工控机的输入端与所述摆角传感器连接；
所述工控机用于向所述伺服控制器发送并记录所述测试信号，所述伺服控制器接收并执行；当所述测试信号处于上升阶段时，所述伺服机构开始工作，带动所述发动机摇摆，所述工控机接收所述摆角传感器采集所述发动机的摆角信号。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
通过工控机产生的阶梯信号标定方法获取伺服系统静态零位和线性度。现有的标定方法一般是采集零位及限幅位的信号，通过两点线性拟合获取静态标定公式，该方法由于处理的点位过少，只能体现限幅位线性度的准确性。本发明在正负限幅值设置不低于20级的阶梯信号作为测试信号，涵盖各段的信号特性，每采集周期内均进行实时采集，采集点一般大于50000个，拟合得出的静态线性度的精确性远大于现有技术。现有技术未考虑在某些情况下，发动机零位可能发生的小幅偏移，若将偏移作为误差带入闭环系统中，可能引起仿真结论错误。本发明在静态标定的基础上，每次试验前均进行一定时间的零位实时采集，扣除了各种原因引起的零位偏移误差，提高了零位采集精度。另外，采集时对采集值进行故障诊断，有效的检测当前状态的零位是否满足试验条件。存储有本发明所述的伺服系统静态标定及动态零位补偿的仿真程序的工控机自动运行。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验系统框图；
图2为本发明一实施例提供的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法中的静态标定的方法流程图；
图3为本发明一实施例提供的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法中的动态零位补偿的方法流程图；
图4为本发明一实施例提供的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法中的静态标定中采集的阶梯信号和摆角信号的示意图；
图5为本发明一实施例提供的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法中的静态标定中采集的阶梯信号和摆角信号的局部示意图；
图6为本发明一实施例提供的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法中的静态标定中的零位信号标定的示意图；
图7为本发明一实施例提供的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法中的静态标定中采集的阶梯信号和摆角信号进行拟合后的拟合结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
本发明一种伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法，包括对所述伺服系统进行静态标定及动态零位补偿的方法，通过在半实物仿真试验准备阶段，对伺服系统进行精确的静态标定，获取静态零位及线性度；在闭环前阶段的预定时间内(在半实物仿真试验准备阶段)，对零位进行故障诊断并计算该次试验的动态零位，静态标定与动态零位相结合，为闭环试验提供精确的摆角采集处理公式，以解决在对运载火箭的伺服系统进行半实物仿真的仿真试验(闭环试验)结论不准确的问题。
具体的，在对运载火箭的伺服系统进行闭环测试前的准备阶段进行静态标定之前搭建伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验系统，即如图1所示，所述试验系统包括：伺服系统和与所述伺服系统连接的工控机10；所述伺服系统主要包括依次连接的伺服控制器(功放)20、伺服机构30、发动机40以及摆角传感器50。所述工控机10的输出端与所述伺服控制器(功放)20连接，所述工控机10的输入端与所述摆角传感器50连接。
所述工控机10设有实现伺服系统配套的通讯协议并配置相应通讯板卡、程序等。所述工控机具备每毫秒给所述伺服控制器(功放)20发送指令的功能，具备每毫秒采集摆角传感器信号的功能，具备实时操作系统。
所述工控机10生成用于对所述伺服系统进行静态标定的测试信号，所述测试信号为包括缓慢上升段和稳定保持段的呈阶梯波形的阶梯信号(input)，且所述阶梯信号的两端限幅值的阶梯级数不低于20级。将所述伺服系统设置为试验准备阶段，随时接受所述测试信号；将所述测试信号由工控机10通过既定的通讯协议输出至所述伺服控制器(功放)20，并由所述工控机10实时记录该测试信号；随着所述测试信号处于上升阶段时，所述伺服机构30开始工作，带动所述发动机40摇摆，所述工控机10按照既定协议实时接受所述摆角传感器50采集所述发动机40的摆角信号(output)，该摆角信号为模拟信号，所述摆角信号和测试信号的形貌如图4～图5所示。
如图2所示，本实施例提供的一种伺服系统静态标定的方法，包括如下过程：步骤S1.1、生成测试信号，进入步骤S1.2；在本实施例中，所述测试信号为为包括缓慢上升段和稳定保持段的呈阶梯波形的阶梯信号(input)，且所述阶梯信号的两端限幅值的阶梯级数不低于20级，即，所述阶梯信号需要覆盖发动机的正负限幅值，级数不低于20级，阶梯稳定时保持N秒。
步骤S1.2、判断所述测试信号的阶梯波形是否全部生成完成，若所述阶梯波形全部完成，则进入步骤S1.3；若是所述阶梯波形未全部生成完成，则进入步骤S1.4；
步骤S1.3、此时，静态测试完成，对所述阶梯信号和摆角信号进行分析、拟合，得到静态标定零位及线性度修正系数，进入步骤S1.6；
步骤S1.6、获得静态标定公式；具体的，由于静态标定主要目的是扣除零位误差及修正线性度，对所述工控机10采集到的摆角信号及所述工控机10输出的测试信号进行分析，确定静态标定公式y＝kx-L静，其中y为摆角信号，x为测试信号，k为线性度修正系数，L静为静态标定零位。以某一发试验为例，采集的输入输出信号如图4～图6所示，拟合结果如图7所示。根据拟合结果得到静态标定公式：y＝1.015x-0.001054。
步骤S1.4、所述工控机10发送其生成的阶梯信号给所述伺服控制器(功放)20，进入步骤S1.5；
步骤S1.5、在执行所述步骤S1.4的同时，所述工控机10还采集所述摆角信号，之后，进入步骤S1.1。所述摆角信号为所述摆角传感器50实时采集并输出的所述发动机40的摆角信号。
在对所述运载火箭进行半实物仿真闭环试验前，所述伺服系统需要提前准备(闭环前阶段)，主要包括：对伺服控制器(功放)20发送归零指令，所述伺服控制器(功放)20执行；对所述发动机40加压以及对所述摆角传感器50上电等工作。由于所述发动机40工作时间不宜过长，为了确保后续试验完整运行，不宜在该阶段进行静态标定。多次试验后，所述伺服系统的零位可能有微小改变，则此时无法进行静态标定的情况下，需要进行动态零位补偿。
如图3所示，本实施例提供的一种伺服系统动态零位补偿的方法，包括如下过程：
确定动态零位处理时间范围，一般为对所述闭环试验前10秒，持续5秒，每毫秒时间累加，直到到达零位处理时间范围。
步骤S2.1、对所述闭环试验前N秒时刻以预设的采集周期进行时间累加，得到当前累加的时间值，进入步骤S2.2，具体的，在执行所述步骤S2.1之前预先设定采集周期和采集时长，在本实施例中，所述采集周期为1ms，采集时长为5s。
步骤S2.2、判断所述步骤S2.1中的当前累加的时间值是否处于零位处理时间范围内，若是，则进入步骤S2.5，若否，进入步骤S2.3；
步骤S2.3、记录当前的零位平均值，并将所述零位平均值设置为所述伺服系统的动态零位，进入步骤S2.4；
步骤S2.4、结合静态标定公式和所述伺服系统的动态零位，得到对所述伺服系统进行闭环试验时的摆角计算公式为
步骤S2.5、周期性实时采集摆角值，进入步骤S2.6；具体的，在设置的预定时间(动态零位处理时间)内进行实时零位采集，所述采集周期为1ms，采集时长为5s。
步骤S2.6、实时计算当前伺服系统的零位平均值，进入步骤S2.7；
步骤S2.7、对采集结果进行故障诊断，进入步骤S2.8；
步骤S2.8、诊断一个采集周期内是否出现故障，若是，则返回步骤S2.1，若否，进入步骤S2.9。
具体的，所述步骤S2.8包括：进一步的，所述步骤S2.8包括：设静态标定得到的静态标定零位为L静，零位野值偏差门限为Llim，野值故障累计计数门限为N野；对第i个采集周期内进行一拍次零位采集，零位采集值设为Lti，i∈[1,2,······，m]，若采集时长内|Lti|>|L静|+|Llim|次数大于N野，则认为目前零位状态不稳定，试验停止，重新进行零位静态标定。
步骤S2.9、若在诊断周期内无故障，记录零位平均值，设定该值为伺服系统动态零位；结合静态标定和动态零位补偿结果，确定闭环试验的摆角处理公式：
所述步骤S2.9中所述伺服系统的零位平均值通过如下公式进行计算：若采集时长内，采集了i个零位采集值，则零位平均值
基于上述实施例，本发明还公开了一种存储器，其可以设置在所述工控机内，所述存储器存储一计算机程序，用以执行上述实施例所提供的对所述伺服系统进行静态标定和动态零位补偿的步骤。
综上所述，本发明一种伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法，包括对所述伺服系统进行静态标定及动态零位补偿的方法，通过在半实物仿真试验准备阶段，对伺服系统进行精确的静态标定，获取静态零位及线性度；在闭环前阶段的预定时间内，对零位进行故障诊断并计算该次试验的动态零位，静态标定与动态零位相结合，为闭环试验提供精确的摆角采集处理公式，以解决在对运载火箭进行半实物仿真的仿真试验结论不准确的问题。
通过工控机产生的阶梯信号标定方法获取伺服系统静态零位和线性度。现有的标定方法一般是采集零位及限幅位的信号，通过两点线性拟合获取静态标定公式，该方法由于处理的点位过少，只能体现限幅位线性度的准确性。本发明在正负限幅值设置不低于20级的阶梯信号作为测试信号，涵盖各段的信号特性，每采集周期内均进行实时采集，采集点一般大于50000个，拟合得出的静态线性度的精确性远大于现有技术。现有技术未考虑在某些情况下，发动机零位可能发生的小幅偏移，若将偏移作为误差带入闭环系统中，可能引起仿真结论错误。本发明在静态标定的基础上，每次试验前均进行一定时间的零位实时采集，扣除了各种原因引起的零位偏移误差，提高了零位采集精度。另外，采集时对采集值进行故障诊断，有效的检测当前状态的零位是否满足试验条件。动态零位的诊断、计算及补偿均由存储有本发明所述的伺服系统静态标定及动态零位补偿的仿真程序的工控机自动运行。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法，其特征在于，包含：对伺服系统进行静态标定，得到所述伺服系统的静态标定公式，以及对所述伺服系统进行动态零位补偿，得出所述伺服系统的动态零位平均值，根据所述伺服系统的静态标定公式和所述伺服系统的动态零位平均值获得对所述伺服系统进行闭环半实物仿真试验时的摆角计算公式。
2.如权利要求1所述的对伺服系统进行闭环半实物仿真试验的试验方法，其特征在于，对所述伺服系统进行静态标定包括以下过程：
步骤S1.1、生成测试信号，进入步骤S1.2；
步骤S1.2、判断所述测试信号的阶梯波形是否全部生成完成，若所述阶梯波形全部完成，则进入步骤S1.3；若所述阶梯波形未全部生成完成，则进入步骤S1.4；
步骤S1.3、对所述阶梯信号和摆角信号进行分析、拟合，得到静态标定零位及线性度修正系数，进入步骤S1.6；
步骤S1.6、获得静态标定公式；
步骤S1.4、发送所述测试信号给所述伺服系统，进入步骤S1.5；
步骤S1.5、采集所述伺服系统输出的所述摆角信号，进入步骤S1.1。
3.如权利要求2所述的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法，其特征在于，所述测试信号为包括缓慢上升段和稳定保持段的呈阶梯波形的阶梯信号，且所述阶梯信号的两端限幅值的阶梯级数大于等于20级。
4.如权利要求3所述的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法，其特征在于，所述静态标定公式为：
y＝kx-L静，其中，y为摆角信号，x为测试信号，k为线性度修正系数，L静为静态标定零位。
5.如权利要求4所述的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法，其特征在于，对所述伺服系统进行动态零位补偿包括如下过程：
步骤S2.1、对闭环半实物仿真试验前n秒时刻以预设的采集周期进行时间累加，得到当前累加的时间值，进入步骤S2.2；
步骤S2.2、判断所述步骤S2.1中的当前累加的时间值是否处于零位处理时间范围内，若是，则进入步骤S2.5，若否，进入步骤S2.3；
步骤S2.3、记录当前的零位平均值，并将所述零位平均值设置为所述伺服系统的动态零位，进入步骤S2.4；
步骤S2.4、结合静态标定公式和所述伺服系统的动态零位，对所述伺服系统进行闭环半实物仿真试验；
步骤S2.5、周期性实时采集所述伺服系统的摆角值，进入步骤S2.6；
步骤S2.6、实时计算当前伺服系统的零位平均值，进入步骤S2.7；
步骤S2.7、对采集结果进行故障诊断，进入步骤S2.8；
步骤S2.8、诊断一个采集周期内所述伺服系统是否出现故障，若是，则返回步骤S2.1，若否，进入步骤S2.9；
步骤S2.9、计算当前的所述伺服系统的零位平均值，设定所述零位平均值为所述伺服系统的动态零位。
6.如权利要求5所述的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法，其特征在于，
所述步骤S2.8包括：设静态标定得到的静态标定零位为L静，零位野值偏差门限为Llim，野值故障累计计数门限为N野；对第i个采集周期内进行一拍次零位采集，零位采集值设为Lti，i∈[1,2,······，m]，若采集时长内|Lti|>|L静|+|Llim|次数大于N野，则认为目前零位状态不稳定，试验停止，重新进行零位静态标定。
7.如权利要求6所述的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法，其特征在于，所述步骤S2.9中所述伺服系统的零位平均值通过如下公式进行计算：若采集时长内，采集了i个零位采集值，则零位平均值Lt：
8.如权利要求7所述的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法，其特征在于，对所述伺服系统进行闭环半实物仿真试验时的摆角计算公式为：式中，y为摆角信号，x为测试信号，k为线性度修正系数，为当前时刻，所述伺服系统的零位平均值。
9.一种伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验系统，其特征在于，包括：伺服系统和用于存储并执行如权利要求1～8中任意一项所述的伺服系统静态标定及动态零位补偿的试验方法的程序的工控机；所述伺服系统进一步包括依次连接的伺服控制器、伺服机构、发动机以及摆角传感器；所述工控机的输出端与所述伺服控制器连接，所述工控机的输入端与所述摆角传感器连接；所述工控机用于向所述伺服控制器发送并记录所述测试信号，所述伺服控制器接收并执行；当所述测试信号处于上升阶段时，所述伺服机构开始工作，带动所述发动机摇摆，所述工控机接收所述摆角传感器采集所述发动机的摆角信号。
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