CN110618705B - 一种数字式电动舵机环境温度补偿方法及装置 - Google Patents

一种数字式电动舵机环境温度补偿方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种数字式电动舵机环境温度补偿方法及装置，属于电动舵机控制技术领域，解决了现有温度补偿电路实现复杂、应用面窄、灵活性低、无法应用到数字式电动舵机当中的问题。该数字式电动舵机环境温度补偿方法包括以下步骤：数字控制器接收外部设备发送的舵控指令与执行机构输出的舵反馈信号，处理得到常温下的调制信号；数字控制器基于所述常温下的调制信号及温度传感器采集的执行机构部位环境温度，处理得到带有温度补偿的调制信号；数字控制器将所述带有温度补偿的调制信号发送至所述执行机构，用于驱动执行机构跟踪舵控指令。

Description

一种数字式电动舵机环境温度补偿方法及装置
技术领域
本发明涉及电动舵机控制技术领域，尤其涉及一种数字式电动舵机环境温度补偿方法及装置。
背景技术
数字式电动舵机一般由数字控制器和执行机构组成，数字控制器接收外部设备发送来的舵偏角控制指令，结合执行机构发来的舵偏角反馈信息，计算产生调制信号，驱动执行机构带动舵面偏转，实现对舵偏角控制指令的实时跟踪。
目前，在电动舵机控制领域采用的方法主要有PID控制、变结构控制、鲁棒控制等，能够较好实现电动舵机实时控制，一定程度上满足工程应用的需求。但是在导弹武器领域，环境具有宽温性(-40℃～70℃)的特点，由于电动舵机执行机构中通常采用润滑脂来减小机械摩擦，在低温时润滑脂粘度变大，机械阻尼变大，使得舵机动态特性下降严重，高温时润滑脂粘度变小，机械阻尼变小，舵机控制系统容易不稳定。因此，常规的舵机控制算法难以满足导弹武器的使用要求。
文献“公开号为CN106610582A的发明专利”公开了一种由环境温度变化引起的电动舵机性能变化的补偿方法。该方法针对不同环境温度点通过引入负温度细实热敏电阻以实时改变PID参数，进而有效的补偿由高低温引起的电动舵机机构机械阻尼发生的变化，但是，该方法是针对模拟控制器设计的温度补偿电路，实现复杂、应用面窄、灵活性低，无法应用到数字式电动舵机当中。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种数字式电动舵机环境温度补偿方法及装置，用以解决现有现有温度补偿电路实现复杂、应用面窄、灵活性低，无法应用到数字式电动舵机当中的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种数字式电动舵机环境温度补偿方法，包括以下步骤：
数字控制器接收外部设备发送的舵控指令与执行机构输出的舵反馈信号，处理得到常温下的调制信号；
数字控制器基于所述常温下的调制信号及温度传感器采集的执行机构部位环境温度，处理得到带有温度补偿的调制信号；
数字控制器将所述带有温度补偿的调制信号发送至所述执行机构，用于驱动执行机构跟踪舵控指令。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
进一步，所述数字控制器根据公式(1)获取第k时刻常温下的调制信号ucn(k)：
Figure BDA0002245075300000021
其中，KP、KI、KD分别表示PID控制过程的比例、积分、微分参数；e(k)表示第k时刻外部设备发送的舵控指令与所述执行机构输出的舵反馈信号之间的偏差信号，表达式为：
e(k)＝ui(k)-uf(k) (2)
其中，ui(k)表示第k时刻外部设备发送的舵控指令，uf(k)表示第k时执行机构输出的舵反馈信号。
进一步，根据公式(3)获取第k时刻带有温度补偿的调制信号ucT(k)：
ucT(k)＝KT(k)ucn(k) (3)
其中，KT(k)表示第k时刻温度传感器采集的执行机构部位环境温度T时对应的温度补偿系数。
进一步，通过以下方式获取执行机构部位环境温度T与其对应的温度补偿系数KT之间的对应关系：
试验测得一组数据点(Ti，KTi)(i＝1，2，…，m)，m为数据点个数；拟合所述数据点，获得KT与T的关系函数。
进一步，利用多项式形式拟合所述数据点，如公式(4)所示：
Figure BDA0002245075300000031
式中，aj(j＝0，1，…，n-1)为n个待定系数，m>n；拟合多项式求取公式(4)中的待定系数。
进一步，通过以下方式确定试验过程中环境温度Ti对应的温度补偿系数KTi：
选取环境温度Ti，选取初始温度补偿系数；
基于所述初始温度补偿系数，计算得到相应的带有温度补偿的调制信号，并发送至所述执行机构；
采集当前时刻执行机构的输出信号，判断所述输出信号是否满足当前环境温度下电动舵机的静态特性和动态特性要求；
若满足，将所述初始温度补偿系数值确定为环境温度Ti对应的温度补偿系数KTi；否则，调整温度补偿系数并重复上述过程，直至获得满足电动舵机的静态特性和动态特性要求的温度补偿系数。
本发明还公开了一种数字式电动舵机环境温度补偿装置，所述装置包括数字控制器、执行机构、以及用于采集执行机构部位环境温度的温度传感器；其中，
所述数字控制器，用于接收并处理外部设备发送的舵控指令与所述执行机构输出的舵反馈信号、以及温度传感器采集的执行机构部位环境温度，处理得到带有温度补偿的调制信号；
还用于将所述带有温度补偿的调制信号发送至所述执行机构，用于驱动执行机构跟踪舵控指令。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
进一步，所述数字控制器通过执行以下操作得到所述带有温度补偿的调制信号：
基于所述外部设备发送的舵控指令与所述执行机构输出的舵反馈信号之间的偏差信号，处理得到常温下的调制信号；
基于所述常温下的调制信号及所述温度传感器采集的执行机构部位环境温度，处理得到带有温度补偿的调制信号。
进一步，根据公式(5)获取第k时刻常温下的调制信号ucn(k)：
Figure BDA0002245075300000041
其中，KP、KI、KD分别表示PID控制过程的比例、积分、微分参数；e(k)表示第k时刻外部设备发送的舵控指令与所述执行机构输出的舵反馈信号之间的偏差信号，表达式为：
e(k)＝ui(k)-uf(k) (6)
其中，ui(k)表示第k时刻外部设备发送的舵控指令，uf(k)表示第k时执行机构输出的舵反馈信号；
根据公式(7)获取第k时刻带有温度补偿的调制信号ucT(k)：
ucT(k)＝KT(k)ucn(k) (7)
其中，KT(k)表示第k时刻温度传感器采集的执行机构部位环境温度T时对应的温度补偿系数。
进一步，通过以下方式获取执行机构部位环境温度T与其对应的温度补偿系数KT之间的对应关系：
试验测得一组数据点(Ti，KTi)(i＝1，2，…，m)，m为数据点个数；拟合所述数据点，获得KT与T的关系函数；
将所述KT与T的关系函数存储于所述数字控制器中。
本发明有益效果如下：本发明提供的一种数字式电动舵机环境温度补偿方法，通过在电动舵机中引入温度传感器，可以实时采集执行机构环境温度，数字控制器根据环境温度变化，实时调节调制信号，对环境温度进行补偿，来应对在不同环境温度下机械阻尼变化而引起电动舵机性能下降的问题，可以有效克服数字式电动舵机环境温度适应性不足的问题。并提供了一种数字式电动舵机环境温度补偿装置，该方法和装置基于相同的原理，其相关之处可相互借鉴，且能达到相同的技术效果。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1中数字式电动舵机环境温度补偿方法流程图；
图2为本发明实施例2中数字式电动舵机环境温度补偿装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明的一个具体实施例，公开了一种数字式电动舵机环境温度补偿方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：数字控制器接收外部设备发送的舵控指令与执行机构输出的舵反馈信号，处理得到常温下的调制信号；
步骤S2：数字控制器基于所述常温下的调制信号及温度传感器采集的执行机构部位环境温度，处理得到带有温度补偿的调制信号；
步骤S3：数字控制器将所述带有温度补偿的调制信号发送至所述执行机构，用于驱动执行机构跟踪舵控指令。
与现有技术相比，本实施例提供的一种数字式电动舵机环境温度补偿方法，通过在电动舵机中引入温度传感器，可以实时采集执行机构环境温度，数字控制器根据环境温度变化，实时调节调制信号，对环境温度进行补偿，来应对在不同环境温度下机械阻尼变化而引起电动舵机性能下降的问题，可以有效克服数字式电动舵机环境温度适应性不足的问题。
在上述步骤S1中，所述数字控制器根据公式(1)获取第k时刻常温下的调制信号ucn(k)：
Figure BDA0002245075300000071
其中，KP、KI、KD分别表示PID控制过程的比例、积分、微分参数；e(k)表示第k时刻外部设备发送的舵控指令与所述执行机构输出的舵反馈信号之间的偏差信号，表达式为：
e(k)＝ui(k)-uf(k) (2)
其中，ui(k)表示第k时刻外部设备发送的舵控指令，uf(k)表示第k时执行机构输出的舵反馈信号。
优选地，上述方式采用传统PID算法产生常温下的调制信号，替代方案可以是分段PID、模糊PID、变结构控制、鲁棒控制、自抗扰控制等方法。
在上述步骤S2中，根据公式(3)获取第k时刻带有温度补偿的调制信号ucT(k)：
ucT(k)＝KT(k)ucn(k) (3)
其中，KT(k)表示第k时刻温度传感器采集的执行机构部位环境温度T时对应的温度补偿系数。因此，数字控制器可以根据执行机构部位温度信号(T)的变化，在低温时，则增大温度系数(KT)，克服润滑脂粘度变大，机械阻尼变大，舵机动态特性下降的问题，高温时，减小温度系数(KT)，克服润滑脂粘度变小，机械阻尼变小，舵机控制系统稳定性下降的问题。通过实时调节温度系数(KT)，从而实现对调制信号(uc)的实时调节，对环境温度进行补偿，进而实现对执行机构的实时控制。
优选地，可以通过以下方式提前获取执行机构部位环境温度T与其对应的温度补偿系数KT之间的对应关系：试验测得一组数据点(Ti，KTi)(i＝1，2，…，m)，m为数据点个数；拟合所述数据点，获得KT与T的关系函数。
优选地，在本实施例的具体实施过程中，根据数据点的分布情况，可以利用多项式形式拟合所述数据点，如公式(4)所示：
Figure BDA0002245075300000081
式中，aj(j＝0，2，…，n-1)为n个待定系数，m>n；拟合多项式求取公式(4)中的待定系数。具体地，可以通过最小二乘算法拟合上述数据点：
将式(4)用矩阵形式表示：
KΤ＝TA (5)
式中，A＝[a0,a1,,an-1]T为待定系数矩阵，KΤ＝[KT1,KT2,,KTm]T为温度系数矩阵，
Figure BDA0002245075300000082
为温度信号矩阵。
根据最小二乘法，求得Α为：
A＝(TTT)-1TTKT (6)
至此，待定系数矩阵得到求解，温度系数(KT)拟合曲线方程可以确定。
优选地，本实施还给出了一种获得试验过程中环境温度Ti对应的温度补偿系数KTi的具体方式，包括：
步骤(1)：选取环境温度Ti，选取初始温度补偿系数；
步骤(2)：基于所述初始温度补偿系数，计算得到相应的带有温度补偿的调制信号，并发送至所述执行机构；
步骤(3)：采集当前时刻执行机构的输出信号，判断所述输出信号是否满足当前环境温度下电动舵机的静态特性和动态特性要求；
步骤(4)：若满足，将所述初始温度补偿系数值确定为环境温度Ti对应的温度补偿系数KTi；否则，调整温度补偿系数并重复上述过程，直至获得满足电动舵机的静态特性和动态特性要求的温度补偿系数。
实施例2
在本发明的实施例2中，公开了一种数字式电动舵机环境温度补偿装置，该装置包括数字控制器、执行机构、以及用于采集执行机构部位环境温度的温度传感器；其中，数字控制器，用于接收并处理外部设备发送的舵控指令与所述执行机构输出的舵反馈信号、以及温度传感器采集的执行机构部位环境温度，处理得到带有温度补偿的调制信号；还用于将所述带有温度补偿的调制信号发送至所述执行机构，用于驱动执行机构跟踪舵控指令。优选地，本发明中采集环境温度的器件为温度传感器，替代方案可以是热敏电阻等。
优选地，所述数字控制器通过执行以下操作得到所述带有温度补偿的调制信号：基于所述外部设备发送的舵控指令与所述执行机构输出的舵反馈信号之间的偏差信号，处理得到常温下的调制信号；具体为：根据公式(5)获取第k时刻常温下的调制信号ucn(k)：
Figure BDA0002245075300000091
其中，KP、KI、KD分别表示PID控制过程的比例、积分、微分参数；e(k)表示第k时刻外部设备发送的舵控指令与所述执行机构输出的舵反馈信号之间的偏差信号，表达式为：
e(k)＝ui(k)-uf(k) (8)
其中，ui(k)表示第k时刻外部设备发送的舵控指令，uf(k)表示第k时执行机构输出的舵反馈信号；
优选地，所述数字控制器还基于所述常温下的调制信号及所述温度传感器采集的执行机构部位环境温度，处理得到带有温度补偿的调制信号。具体为：根据公式(7)获取第k时刻带有温度补偿的调制信号ucT(k)：
ucT(k)＝KT(k)ucn(k) (9)
其中，KT(k)表示第k时刻温度传感器采集的执行机构部位环境温度T时对应的温度补偿系数。KT与T的关系函数需要提前存储于所述数字控制器中，具体可通过以下方式获取执行机构部位环境温度T与其对应的温度补偿系数KT之间的对应关系：试验测得一组数据点(Ti，KTi)(i＝1，2，…，m)，m为数据点个数；拟合所述数据点，获得KT与T的关系函数。
上述方法实施例和装置实施例，基于相同的原理，其相关之处可相互借鉴，且能达到相同的技术效果。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种数字式电动舵机环境温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
数字控制器接收外部设备发送的舵控指令与执行机构输出的舵反馈信号，处理得到常温下的调制信号；
数字控制器基于所述常温下的调制信号及温度传感器采集的执行机构部位环境温度，处理得到带有温度补偿的调制信号；
数字控制器将所述带有温度补偿的调制信号发送至所述执行机构，用于驱动执行机构跟踪舵控指令；
根据公式(1)获取第k时刻带有温度补偿的调制信号ucT(k)：
ucT(k)＝KT(k)ucn(k) (1)
其中，KT(k)表示第k时刻温度传感器采集的执行机构部位环境温度T时对应的温度补偿系数，ucn(k)表示第k时刻常温下的调制信号；
所述数字控制器根据公式(2)获取第k时刻常温下的调制信号ucn(k)：
Figure FDA0003854275750000011
其中，KP、KI、KD分别表示PID控制过程的比例、积分、微分参数；e(k)表示第k时刻外部设备发送的舵控指令与所述执行机构输出的舵反馈信号之间的偏差信号，表达式为：
e(k)＝ui(k)-uf(k) (3)
其中，ui(k)表示第k时刻外部设备发送的舵控指令，uf(k)表示第k时执行机构输出的舵反馈信号；通过以下方式获取执行机构部位环境温度T与其对应的温度补偿系数KT之间的对应关系：
试验测得一组数据点(Ti，KTi)(i＝1，2，…，m)，m为数据点个数；拟合所述数据点，获得KT与T的关系函数；
利用多项式形式拟合所述数据点，如公式(4)所示：
Figure FDA0003854275750000021
式中，aj(j＝0，2，…，n-1)为n个待定系数，m>n；拟合多项式求取公式(2)中的待定系数；
通过以下方式确定试验过程中环境温度Ti对应的温度补偿系数KTi：
选取环境温度Ti，选取初始温度补偿系数；
基于所述初始温度补偿系数，计算得到相应的带有温度补偿的调制信号，并发送至所述执行机构；
采集当前时刻执行机构的输出信号，判断所述输出信号是否满足当前环境温度下电动舵机的静态特性和动态特性要求；
若满足，将所述初始温度补偿系数值确定为环境温度Ti对应的温度补偿系数KTi；否则，调整温度补偿系数并重复上述过程，直至获得满足电动舵机的静态特性和动态特性要求的温度补偿系数。
2.一种数字式电动舵机环境温度补偿装置，其特征在于，所述装置包括数字控制器、执行机构、以及用于采集执行机构部位环境温度的温度传感器；其中，
所述数字控制器，用于接收并处理外部设备发送的舵控指令与所述执行机构输出的舵反馈信号、以及温度传感器采集的执行机构部位环境温度，处理得到带有温度补偿的调制信号；
还用于将所述带有温度补偿的调制信号发送至所述执行机构，用于用于驱动执行机构跟踪舵控指令；
所述数字控制器通过执行以下操作得到所述带有温度补偿的调制信号：
基于所述外部设备发送的舵控指令与所述执行机构输出的舵反馈信号之间的偏差信号，处理得到常温下的调制信号；
基于所述常温下的调制信号及所述温度传感器采集的执行机构部位环境温度，处理得到带有温度补偿的调制信号；
通过以下方式获取执行机构部位环境温度T与其对应的温度补偿系数KT之间的对应关系：
试验测得一组数据点(Ti，KTi)(i＝1，2，…，m)，m为数据点个数；拟合所述数据点，获得KT与T的关系函数；将所述KT与T的关系函数存储于所述数字控制器中；
利用多项式形式拟合所述数据点，如公式(5)所示：
Figure FDA0003854275750000031
式中，aj(j＝0，2，…，n-1)为n个待定系数，m>n；拟合多项式求取公式(5)中的待定系数；
通过以下方式确定试验过程中环境温度Ti对应的温度补偿系数KTi：
选取环境温度Ti，选取初始温度补偿系数；
基于所述初始温度补偿系数，计算得到相应的带有温度补偿的调制信号，并发送至所述执行机构；
采集当前时刻执行机构的输出信号，判断所述输出信号是否满足当前环境温度下电动舵机的静态特性和动态特性要求；
若满足，将所述初始温度补偿系数值确定为环境温度Ti对应的温度补偿系数KTi；否则，调整温度补偿系数并重复上述过程，直至获得满足电动舵机的静态特性和动态特性要求的温度补偿系数；
根据公式(6)获取第k时刻常温下的调制信号ucn(k)：
Figure FDA0003854275750000041
其中，KP、KI、KD分别表示PID控制过程的比例、积分、微分参数；e(k)表示第k时刻外部设备发送的舵控指令与所述执行机构输出的舵反馈信号之间的偏差信号，表达式为：
e(k)＝ui(k)-uf(k) (7)
其中，ui(k)表示第k时刻外部设备发送的舵控指令，uf(k)表示第k时执行机构输出的舵反馈信号。
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