CN109656150B - 基于matlab的复合轴控制系统偏差高精度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于matlab的复合轴控制系统偏差高精度控制方法，属于复合轴控制技术领域。本发明基于对复合轴控制系统工作原理的分析，利用matlab的m文件中的函数工具，实现了一种复合轴控制系统偏差高精度控制方法，实现了复合轴控制系统偏差的高精度控制。

Description

基于matlab的复合轴控制系统偏差高精度控制方法

技术领域

本发明属于复合轴控制技术领域，具体涉及一种基于matlab的复合轴控制系统偏差高精度控制方法。

背景技术

Matlab具有高效的数值计算及符号计算能力，具备功能丰富的应用工具箱，为用户提供了大量方便使用的处理工具。为了在VC平台下借助Matlab的优势，常将m文件转换为dll或者lib文件。在以往基于Matlab的控制仿真实验中，常使用固定封装的simulink模块，无法转化为dll或lib文件。因此，使用m文件表达控制模型是必要的。

复合轴控制是一种新型控制方法，主要使用在高精度光电设备跟踪瞄准领域。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何实现复合轴控制系统偏差的高精度控制。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于matlab的复合轴控制系统偏差高精度控制方法，包括以下步骤：首先设置模块外置参数，计算主控系统残余的控制系统偏差，即主轴偏差，然后将主控系统残余的控制系统偏差作为子控系统的输入信号，子控系统通过控制快速反射镜补偿主控系统的控制系统偏差，最终达到高精度控制。

优选地，在设置模块外置参数之前包括如下步骤：

设复合轴控制系统中3个传递函数为：

直流力矩电机电气传递函数G_d，其中T_e为电气时间常数，s为微分算子：

直流力矩电机机械传递函数G_m，其中T_m为机械时间常数：

复合轴控制系统中的控制器均选用PI控制器，如公式(3)，其中k_P为常值增益、k_I为积分增益：

优选地，设置复合轴控制系统外置参数具体为设置：仿真时间t、需要跟踪的信号u，轴系上的外加扰动M；主轴位置PI控制器常值增益k_SP、积分增益k_SI，主轴速度PI控制器常值增益k_VP、积分增益k_VI，子轴PI控制器常值增益k_ZP、积分增益k_ZI；电机的电气时间常数T_e、机械时间常数T_m；快反镜传递函数G_k，子轴光学结构比例系数k；

设置主轴速度环前向通道函数G_v：

设置主轴速度环闭环函数G_vB：

G_vB＝feedback(G_v,1) (5)

feedback()为matlab的m文件中的函数；

设置主轴位置环前向通道函数G_s：

设置主轴位置环闭环函数G_sB：

G_sB＝feedback(G_s,1) (7)

设置扰动闭环函数G_M：

优选地，计算主控系统残余的控制系统偏差，即主轴偏差具体为：

计算主轴输入信号u对应的输出y_U：

y_U＝lsim(G_sB,u,t) (9)

计算主轴扰动M对应输出y_M：

y_M＝lsim(G_M,M,t) (10)

lsim()为matlab的m文件中的函数；

计算主轴总输出y_a：

y_a＝y_U+y_M (11)

计算主轴偏差e_Z：

e_Z＝u-y_a (12)。

优选地，将复合轴控制系统主控系统残余的控制系统偏差e_Z作为子控系统的输入信号，子控系统通过控制快速反射镜补偿主控系统的控制系统偏差具体为：

计算子轴输入信号u_s：

u_s＝k·e_Z (13)

设置子轴闭环传递函数G_Z：

计算子轴输出y_Z：

y_Z＝lsim(G_Z,u_s,t)/k (15)

计算系统总输出y：

y＝y_a+y_Z (16)

计算系统总偏差e：

e＝u-y (17)

由于e小于e_Z，从而将复合轴控制系统从e_Z降到了e。

(三)有益效果

本发明基于对复合轴控制系统工作原理的分析，利用matlab的m文件中的函数工具，实现了一种复合轴控制系统偏差高精度控制方法，实现了复合轴控制系统偏差的高精度控制。

附图说明

图1是复合轴跟踪系统控制结构图；

图2是本发明的复合轴跟踪系统主轴偏差e_Z图；

图3是本发明的复合轴跟踪系统子轴输出y_Z图；

图4是本发明的系统总输出y图；

图5是本发明系统偏差e图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1是复合轴控制系统结构(复合轴跟踪系统控制结构)图，复合轴控制系统由主控系统(主轴)和子控系统(子轴)组成，本发明首先设置模块外置参数，计算主控系统残余的控制系统偏差，即主轴偏差，然后将主控系统残余的控制系统偏差作为子控系统的输入信号，子控系统通过控制快速反射镜补偿主控系统的控制系统偏差，最终达到高精度控制。

本发明结合图1搭建基于m文件的复合轴控制系统仿真模型，实现的一种基于matlab的复合轴控制系统偏差高精度控制方法，具体包括以下步骤：

首先介绍复合轴控制系统中3个通用的传递函数：

直流力矩电机电气传递函数G_d，其中T_e为电气时间常数，s为微分算子：

直流力矩电机机械传递函数G_m，其中T_m为机械时间常数：

复合轴系统控制器均选用PI控制器，基本形式如公式(3)，其中k_P为常值增益、k_I为积分增益：

首先设置模块外置参数：仿真时间t、需要跟踪的信号u，轴系上的外加扰动M；主轴位置PI控制器常值增益k_SP、积分增益k_SI，主轴速度PI控制器常值增益k_VP、积分增益k_VI，子轴PI控制器常值增益k_ZP、积分增益k_ZI；电机的电气时间常数T_e、机械时间常数T_m；快反镜传递函数G_k，子轴光学结构比例系数k；

设置主轴速度环前向通道函数G_v：

设置主轴速度环闭环函数G_vB：

G_vB＝feedback(G_v,1) (5)

feedback()为matlab的m文件中的函数。

设置主轴位置环前向通道函数G_s：

设置主轴位置环闭环函数G_sB：

G_sB＝feedback(G_s,1) (7)

设置扰动闭环函数G_M：

计算主轴输入信号u对应的输出y_U：

y_U＝lsim(G_sB,u,t) (9)

计算主轴扰动M对应输出y_M：

y_M＝lsim(G_M,M,t) (10)

lsim()为matlab的m文件中的函数。

计算主轴总输出y_a：

y_a＝y_U+y_M (11)

计算主轴偏差e_Z：

e_Z＝u-y_a (12)

接下来将复合轴控制系统主控系统残余的控制系统偏差e_Z作为子控系统的输入信号，计算子轴输入信号u_s：

u_s＝k·e_Z (13)

设置子轴闭环传递函数G_Z：

计算子轴输出y_Z：

y_Z＝lsim(G_Z,u_s,t)/k (15)

计算系统总输出y：

y＝y_a+y_Z (16)

计算系统总偏差e：

e＝u-y (17)

由于e小于e_Z，因此，本发明将复合轴控制系统从e_Z降到了e。

本实施例中，设置仿真时间t＝[0:0.001:10]，输入u＝9.8sin(0.4πt)，扰动M为Y-12上实时采取的数据。设置k_SP＝20,k_SI＝250，k_VP＝40,k_VI＝120，k_ZP＝0.5,k_ZI＝10，T_e＝1.5×10^-3，T_m＝0.22，k＝0.1，

按照公式(4)至公式(17)编写m文件，运行后可得复合轴系统主轴偏差e_Z，子轴输出y_Z，系统总输出y和系统偏差e，分别如图2至图5所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于matlab的复合轴控制系统偏差高精度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：首先设置模块外置参数，计算主控系统残余的控制系统偏差，即主轴偏差，然后将主控系统残余的控制系统偏差作为子控系统的输入信号，子控系统通过控制快速反射镜补偿主控系统的控制系统偏差，最终达到高精度控制；

在设置模块外置参数之前包括如下步骤：

设复合轴控制系统中3个传递函数为：

直流力矩电机电气传递函数G_d，其中T_e为电气时间常数，s为微分算子：

直流力矩电机机械传递函数G_m，其中T_m为机械时间常数：

复合轴控制系统中的控制器均选用PI控制器，如公式(3)，其中k_P为常值增益、k_I为积分增益：

设置复合轴控制系统外置参数具体为设置：仿真时间t、需要跟踪的信号u，轴系上的外加扰动M；主轴位置PI控制器常值增益k_SP、积分增益k_SI，主轴速度PI控制器常值增益k_VP、积分增益k_VI，子轴PI控制器常值增益k_ZP、积分增益k_ZI；电机的电气时间常数T_e、机械时间常数T_m；快反镜传递函数G_k，子轴光学结构比例系数k；

设置主轴速度环前向通道函数G_v：

设置主轴速度环闭环函数G_vB：

G_vB＝feedback(G_v,1) (5)

feedback()为matlab的m文件中的函数；

设置主轴位置环前向通道函数G_s：

设置主轴位置环闭环函数G_sB：

G_sB＝feedback(G_s,1) (7)

设置扰动闭环函数G_M：

计算主控系统残余的控制系统偏差，即主轴偏差具体为：

计算主轴输入信号u对应的输出y_U：

y_U＝lsim(G_sB,u,t) (9)

计算主轴扰动M对应输出y_M：

y_M＝lsim(G_M,M,t) (10)

lsim()为matlab的m文件中的函数；

计算主轴总输出y_a：

y_a＝y_U+y_M (11)

计算主轴偏差e_Z：

e_Z＝u-y_a (12)；

将复合轴控制系统主控系统残余的控制系统偏差e_Z作为子控系统的输入信号，子控系统通过控制快速反射镜补偿主控系统的控制系统偏差具体为：

计算子轴输入信号u_s：

u_s＝k·e_Z (13)

设置子轴闭环传递函数G_Z：

计算子轴输出y_Z：

y_Z＝lsim(G_Z,u_s,t)/k (15)

计算系统总输出y：

y＝y_a+y_Z (16)

计算系统总偏差e：

e＝u-y (17)

由于e小于e_Z，从而将复合轴控制系统从e_Z降到了e。

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