CN110723594B - 一种系绳张力控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种系绳张力控制装置及方法，该方法首先对系绳张力信号进行采集、放大、调理、滤波，确保有效的张力反馈值与张力闭环控制器给定的系绳张力值进行比较；根据张力偏差值进行系绳防碾压控制；当系绳张力发生较大的阶跃时，进行系绳张力超调抑制；为防止收绳或放绳过程中系绳松弛，采用了系绳防松弛控制；根据不同的张力值，采用分段PI控制；为避免系绳在不同速度下频繁切换导致状态突变，系绳驱动器在高速和低速运转时采用了不同的控制策略。采用上述方法解决了在空间环境下，宽范围温度变化时，系绳张力信号漂移、系绳多次动作后碾压破坏、张力超调、系绳松弛缠绕等问题。

Description

一种系绳张力控制装置及方法
技术领域
本发明属于基于系绳连接的飞行器柔性组合体控制的设计领域，尤其涉及一种系绳张力控制装置及方法。
背景技术
采用空间绳网捕获非合作目标是一种新型柔性抓捕方式，具有网捕距离长、包络范围大、飞行器间耦合作用弱等优点。在完成目标捕获后，飞行器利用自身携带的燃料执行拖曳任务。捕获目标拖曳过程中系绳的张力控制对飞行器的姿态稳定有着重要的影响，是飞行器在轨拖曳的关键技术。
飞行器拖曳过程中长时间保持系绳有效的小张力作用(1N量级)，是系绳收放控制的一种典型工作状态，同时对目标章动抑制时，期望能对目标动态施加不大于50N动态拉力，因此系绳收放控制需具有小张力控制、高响应大张力控制等多种状态的控制需求。
但是，在实际应用中，由于空间环境及温度的变化，往往会出现系绳张力信号漂移、系绳多次动作后碾压破坏、张力超调、系绳松弛缠绕等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种系绳张力控制装置及方法，能够在空间环境下，宽范围温度变化时，防止系绳碾压、松弛等情况的出现。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种系绳张力控制方法，用于飞行器捕获目标后的拖曳过程，包括：
采集系绳张力信号，对所述系绳张力信号进行放大、调理，得到系绳张力反馈值；
将所述系绳张力反馈值与张力闭环控制器给定的系绳张力值进行比较，根据比较结果，判断是否进行系绳防碾压控制；
比较两相邻时间点所述张力闭环控制器给定的系绳张力值的大小，根据比较结果，判断是否进行系绳张力抑制超调控制；
当所述张力闭环控制器给定的系绳张力值处于[0.5N,3.5N]范围内时，比较所述系绳张力反馈值与所述张力闭环控制器给定的系绳张力值的大小，根据比较结果，判断是否进行系绳防松弛控制；
根据张力闭环控制器给定的系绳张力值，对系绳张力值进行分段，采用系绳张力分段PI控制；
根据系绳速度的大小，采用滞环控制方法对系绳驱动器进行高、低速切换控制。
根据本发明一实施例，所述系绳防碾压控制具体为：计算所述系绳张力反馈值Ffeedback与所述张力闭环控制器给定的系绳张力值Fref的差值Ferr，当所述差值|Ferr|>0.5N时，将所述差值Ferr输入所述张力闭环控制器，调整所述张力闭环控制器的输出；当所述差值|Ferr|<0.5N时，所述张力闭环控制器的输出不变，与上一周期的输出保持一致。
根据本发明一实施例，所述系绳张力抑制超调控制具体为：比较当前时刻的系绳张力值Fref(k)与上一时刻的系绳张力值Fref(k-1)的大小，当|Fref(k)-Fref(k-1)|＞0.1N时，给所述系绳驱动器施加预设的速度前馈，调整当前时刻的系绳张力，使所述系绳保持平稳。
根据本发明一实施例，所述系绳防松弛控制具体为：计算所述张力闭环控制器给定的系绳张力值Fref与所述系绳张力反馈值Ffeedback的差值Ferr，当所述差值Ferr<-0.5N时，将PI控制器的积分项输出加1，使收绳时所述系绳驱动器的转速减1或放绳时所述系绳驱动器的转速加1；当所述差值Ferr>+0.5N时,将PI控制器的积分项输出减1，使收绳时所述系绳驱动器的转速加1或放绳时所述系绳驱动器的转速减1。
根据本发明一实施例，当所述系绳驱动器的转速上升到70rpm时，切换为高速控制；所述高速控制采用PI调节器，所述PI调节器输出所述系绳驱动器的电流；
当所述系绳驱动器的转速下降到60rpm时，切换为低速控制；所述低速控制将所述PI调节器的I积分项改为位置比例项。
一种系绳张力控制装置，包括：
张力传感器，用于采集系绳张力信号；
张力信号处理器，用于对所述张力传感器采集的系绳张力信号进行放大、调理，得到系绳张力反馈值；
系绳防碾压模块，将所述系绳张力反馈值与张力闭环控制器给定的系绳张力值进行比较，根据比较结果，判断是否进行系绳防碾压控制；
系绳张力抑制超调模块，比较两相邻时间点所述张力闭环控制器给定的系绳张力值的大小，根据比较结果，判断是否进行系绳张力抑制超调控制；
系绳防松弛模块，当所述张力闭环控制器给定的系绳张力值处于[0.5N,3.5N]范围内时，比较所述系绳张力反馈值与所述张力闭环控制器给定的系绳张力值的大小，根据比较结果，判断是否进行系绳防松弛控制；
系绳张力PI控制模块，根据张力闭环控制器给定的系绳张力值，对系绳张力值进行分段，采用系绳张力分段PI控制；
系绳驱动器高低速切换控制模块，根据系绳速度的大小，采用滞环控制方法对系绳驱动器进行高、低速切换控制。
根据本发明一实施例，所述张力信号处理器包括张力传感器供电电路、张力传感器信号放大电路及张力传感器信号调零电路；
所述张力传感器供电电路主要包括AD586芯片、运算放大器OP07，为所述张力传感器供电；
所述张力传感器信号放大电路主要包括仪用放大器AD620、两级运算放大器OP07，所述张力传感器信号放大电路在放大信号的同时降低噪声的干扰，满足输出带宽的要求；
所述张力传感器信号调零电路包括硬件调零和软件调零，修正所述张力传感器信号的零点漂移。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1)本发明一实施例中的系绳张力控制方法，首先对系绳张力信号进行采集、放大、调理、滤波，确保有效的张力反馈值与张力闭环控制器给定的系绳张力值进行比较；根据张力偏差值进行系绳防碾压控制；当系绳张力发生较大的阶跃时，进行系绳张力超调抑制；为防止收绳或放绳过程中系绳松弛，采用了系绳防松弛控制；根据不同的张力值，采用分段PI控制；为避免系绳在不同速度下频繁切换导致状态突变，系绳驱动器在高速和低速运转时采用了不同的控制策略。采用上述方法解决了在空间环境下，宽范围温度变化时，系绳张力信号漂移、系绳多次动作后碾压破坏、张力超调、系绳松弛缠绕等问题。
2)本发明一实施例中的系绳张力控制方法，由于对系绳进行了防碾压控制，防止张力控制过程中出现反复碾压系绳从而导致系绳破坏或系绳收放次数减少，提高了系绳的使用寿命。
3)本发明一实施例中的系绳张力控制方法，由于对系绳进行了张力抑制超调控制，在保证张力控制稳态误差的条件下，优化了阶跃响应的上升时间。
4)本发明一实施例中的系绳张力控制方法，由于对系绳进行了防松弛控制，使系绳在脱落前能够快速收绳从而保持张紧状态，避免了因张力波动使得系绳过于松弛造成系绳卡滞在机构内。
附图说明
图1为本发明一实施例中的系绳张力控制方法的框图；
图2为本发明一实施例中的系绳张力控制方法的流程示意图；
图3为本发明一实施例中的系绳高速、低速切换控制示意图；
图4为本发明一实施例中的系绳张力控制装置的结构示意图；
图5为本发明一实施例中的系绳张力控制装置中的张力信号放大调理电路图。
附图标记说明：
1：系绳防碾压控制；2：系绳张力抑制超调控制；3：系绳防松弛控制；4：系绳张力分段PI控制。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种系绳张力控制装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
实施例一
如图1所示，本发明提供的系绳张力控制方法，包括：采集系绳张力信号，对系绳张力信号进行放大、调理，得到系绳张力反馈值；将系绳张力反馈值与张力闭环控制器给定的系绳张力值进行比较，根据比较结果，判断是否进行系绳防碾压控制1；比较两相邻时间点张力闭环控制器给定的系绳张力值的大小，根据比较结果，判断是否进行系绳张力抑制超调控制2；当张力闭环控制器给定的系绳张力值处于[0.5N,3.5N]范围内时，比较系绳张力反馈值与张力闭环控制器给定的系绳张力值的大小，根据比较结果，判断是否进行系绳防松弛控制3；根据张力闭环控制器给定的系绳张力值，对系绳张力值进行分段，采用系绳张力分段PI控制4；根据系绳速度的大小，采用滞环控制方法对系绳驱动器进行高、低速切换控制。
具体的，如图2所示。为了减少系绳的碾压次数，对系绳进行防碾压控制。其控制方法具体为：计算系绳张力反馈值Ffeedback与张力闭环控制器给定的系绳张力值Fref的差值Ferr，当差值|Ferr|>0.5N时，将差值Ferr输入张力闭环控制器，调整张力闭环控制器的输出；当差值|Ferr|<0.5N时，张力闭环控制器的输出不变，与上一周期的输出保持一致。
由于受外界的干扰，飞行器在拖曳过程中系绳张力难免会发生变化，当出现当前时刻的系绳张力值Fref(k)与上一时刻的系绳张力值Fref(k-1)相比，|Fref(k)-Fref(k-1)|＞0.1N时，也就是系绳张力发生阶跃时，对系绳进行张力抑制超调控制。其控制方法具体为：判断是否满足Fref(k)-Fref(k-1)＞0.1，如满足，则给系绳驱动器(电机)施加预设的速度前馈，优化阶跃响应的上升时间，快速调整当前时刻的系绳张力，使系绳保持平稳。如不满足，则判断是否满足Fref(k)-Fref(k-1)＜-0.1，如满足，则按上述满足Fref(k)-Fref(k-1)＞0.1条件时操作。根据F＝ma力的计算原理，在实际应用时，该预设的速度前馈V(k)可根据V(k)＝V(k-1)+d.5Ferr得到，其中，Ferr＝|Fref(k)-Fref(k-1)|的值。
对于0.5～3.5N的张力控制范围，每两个张力控制周期判断一次系绳张力，若满足防松弛判据，对PI控制器的积分值+1或-1rpm，再进行PI控制。即在PI运算的基础上再加或减一个分量，使系绳在脱落前能够快速收绳从而保持张紧状态。其中，系绳防松弛的具体控制方法为：计算张力闭环控制器给定的系绳张力值Fref与系绳张力反馈值Ffeedback的差值Ferr，当差值Ferr<-0.5N时，将PI控制器的积分项输出加1，使收绳时系绳驱动器(电机)的转速减1或放绳时系绳驱动器(电机)的转速加1；当差值Ferr>+0.5N时,将PI控制器的积分项输出减1，使收绳时系绳驱动器(电机)的转速加1或放绳时系绳驱动器(电机)的转速减1。
为了提高系绳张力控制性能，对张力闭环控制器给定的系绳张力进行分段，不同段采用不同的P、I参数，对系绳进行张力分段PI控制的技术目前己经很成熟了，在此不做描述。
为避免在系绳转速给定波动的情况下，系绳驱动器(电机)在高速和低速控制之间频繁切换导致系统状态突变，采用滞环控制方法对系绳驱动器进行高、低速切换控制。如图3所示，对于电机，当转速上升时，其由低速控制切换到高速控制的阀值为70rpm；当转速下降时，其由高速控制切换到低速控制的阀值为60rpm。
对于电机高速控制，采用PI调节器，PI输出为电机给定电流。根据速度不同，采用了不同的P、I参数，即分段PI控制。
由于电机速度的反馈信号是通过位置差分加低通滤波形成，在低速时会引入大量的误差或者造成信号延时，经过积分环节后必然严重影响整个环路的控制性能。而低速下电机位置信号更为精确，故对于电机低速控制，采用将速度PI调节器中的I积分项改为位置比例项。由于将速度积分所得即为位置，因此改变后的控制策略实质仍是速度的PI调节器，稳定性与PI调节器相同。
本发明提供的系绳张力控制方法，针对传统的张力PI闭环方案进行了改进和优化，引入了系绳防碾压控制1、系绳张力抑制超调控制2、系绳防松弛控制3、高速和低速切换控制、系绳张力分段PI控制4及系绳驱动器高、低速切换控制等方法，在保证闭环系统满足快速性指标的同时，也能够满足稳定性指标。
实施例二
本发明提供的系绳张力控制装置，包括张力传感器，用于采集系绳张力信号；张力信号处理器，用于对张力传感器采集的系绳张力信号进行放大、调理，得到系绳张力反馈值；系绳防碾压模块，将系绳张力反馈值与张力闭环控制器给定的系绳张力值进行比较，根据比较结果，判断是否进行系绳防碾压控制1；系绳张力抑制超调模块，比较两相邻时间点张力闭环控制器给定的系绳张力值的大小，根据比较结果，判断是否进行系绳张力抑制超调控制2；系绳防松弛模块，当张力闭环控制器给定的系绳张力值处于[0.5N,3.5N]范围内时，比较系绳张力反馈值与张力闭环控制器给定的系绳张力值的大小，根据比较结果，判断是否进行系绳防松弛控制3；系绳张力PI控制模块，根据张力闭环控制器给定的系绳张力值，对系绳张力值进行分段，采用系绳张力分段PI控制4；系绳驱动器高低速切换控制模块，根据系绳速度的大小，采用滞环控制方法对系绳驱动器进行高、低速切换控制。
具体的，如图4所示，系绳张力反馈值由张力传感器采集信号，再通过张力信号放大调理电路对该采集信号进行放大、调理后得到，与张力闭环控制器给定的张力值进行比较，根据比较结果进行系绳防碾压控制1、系绳张力抑制超调控制2、系绳防松弛控制3、系绳张力分段PI控制4。根据计算所得的系绳驱动器(电机)转速进行高速和低速切换控制，并经不同的速度PI策略，确保张力响应的快速性和稳定性。
其中，张力传感器采用溅射薄膜传感器，共分三路采集系绳张力信号，所反映的系绳张力信号分别经过放大、调理、AD采样后进行平均值滤波，得到有效的张力值。对三路张力值进行“三取二”判断、“剔除野值”判断，最后得到的一路张力信号经过1个采样频率200Hz，截止频率90Hz的二阶滤波器，得到最终有效系绳张力反馈值。
如图5所示，张力信号处理器由张力传感器供电电路、传感器信号放大电路、传感器信号调零电路三部分组成。
传感器供电电路由AD586和运放OP07组成，确保供电的精准度；传感器信号放大电路由仪用放大器AD620和两级运算放大器OP07实现，在放大信号的同时降低噪声的干扰、满足输出带宽的要求；传感器信号调零包括硬件调零和软件调零，通过调零，修正传感器信号的零漂。
张力传感器供电电源的稳定性和精准性决定了传感器输出准确与否，采用精密基准电压芯片AD586产生基准电压+5V，利用精密运算放大器OP07放大到张力传感所需供电电压，并通过输出负反馈，以确保张力传感器供电电压在空间环境宽温度范围下的精准度，降低高低温环境或器件长时间工作带来的的信号漂移现象。
张力传感器输出为mV级信号，为了与AD放大电路匹配，达到一定的精度，故采用差分放大器和两级精密运算放大器将微弱信号放大到0～5V。考虑到微弱信号极易受噪声干扰及输出带宽的要求，第一级选用仪用放大器AD620差分采样并作适当地初步放大，第二级选用OP07进行滤波放大，第三级再次采用OP07进一步放大，实现信号匹配。
由于每个传感器都存在零点漂移，为适应空间环境应用要求，保证张力信号精度，通过调整AD620的1、5、8脚的电阻阻值来改变输出值，修正张力信号零漂。为了精确修正信号零漂，在软件设计中，增加软件修正环节，从而精确地将张力信号修正。
对于系绳防碾压模块、系绳张力抑制超调模块、系绳防松弛模块、系绳张力分段PI控制模块及系绳驱动器高低速切换控制模块的用途及控制方法与实施例一中的描述一致，在此不做赘述。
综上，本发明系绳张力控制方法及控制装置，由于对系绳张力信号进行采集、放大、调理、滤波，确保有效的张力反馈值与张力闭环控制器给定的系绳张力值进行比较；根据张力偏差值进行系绳防碾压控制；当系绳张力发生较大的阶跃时，进行系绳张力超调抑制；为防止收绳或放绳过程中系绳松弛，采用了系绳防松弛控制；根据不同的张力值，采用分段PI控制；为避免系绳在不同速度下频繁切换导致状态突变，系绳驱动器在高速和低速运转时采用了不同的控制策略。能够在空间环境下，宽范围温度变化时，系绳张力控制平稳，并且能够减少系绳碾压次数、有效抑制张力超调、避免了系绳振荡松弛，改善了张力控制的响应能力，提高了系统的控制性能。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种系绳张力控制方法，用于飞行器捕获目标后的拖曳过程，其特征在于，包括：
采集系绳张力信号，对所述系绳张力信号进行放大、调理，得到系绳张力反馈值；
将所述系绳张力反馈值与张力闭环控制器给定的系绳张力值进行比较，根据比较结果，判断是否进行系绳防碾压控制；
比较两相邻时间点所述张力闭环控制器给定的系绳张力值的大小，根据比较结果，判断是否进行系绳张力抑制超调控制；
当所述张力闭环控制器给定的系绳张力值处于[0.5N,3.5N]范围内时，比较所述系绳张力反馈值与所述张力闭环控制器给定的系绳张力值的大小，根据比较结果，判断是否进行系绳防松弛控制；
根据张力闭环控制器给定的系绳张力值，对系绳张力值进行分段，采用系绳张力分段PI控制；
根据系绳速度的大小，采用滞环控制方法对系绳驱动器进行高、低速切换控制。
2.如权利要求1所述的系绳张力控制方法，其特征在于，所述系绳防碾压控制具体为：计算所述系绳张力反馈值Ffeedback与所述张力闭环控制器给定的系绳张力值Fref的差值Ferr，当所述差值|Ferr|>0.5N时，将所述差值Ferr输入所述张力闭环控制器，调整所述张力闭环控制器的输出；当所述差值|Ferr|<0.5N时，所述张力闭环控制器的输出不变，与上一周期的输出保持一致。
3.如权利要求1所述的系绳张力控制方法，其特征在于，所述系绳张力抑制超调控制具体为：比较当前时刻的系绳张力值Fref(k)与上一时刻的系绳张力值Fref(k-1)的大小，当|Fref(k)-Fref(k-1)|＞0.1N时，给所述系绳驱动器施加预设的速度前馈，调整当前时刻的系绳张力，使所述系绳保持平稳。
4.如权利要求1所述的系绳张力控制方法，其特征在于，所述系绳防松弛控制具体为：计算所述张力闭环控制器给定的系绳张力值Fref与所述系绳张力反馈值Ffeedback的差值Ferr，当所述差值Ferr<-0.5N时，将PI控制器的积分项输出加1，使收绳时所述系绳驱动器的转速减1或放绳时所述系绳驱动器的转速加1；当所述差值Ferr>+0.5N时,将PI控制器的积分项输出减1，使收绳时所述系绳驱动器的转速加1或放绳时所述系绳驱动器的转速减1。
5.如权利要求1所述的系绳张力控制方法，其特征在于，当所述系绳驱动器的转速上升到70rpm时，切换为高速控制；所述高速控制采用PI调节器，所述PI调节器输出所述系绳驱动器的电流；
当所述系绳驱动器的转速下降到60rpm时，切换为低速控制；所述低速控制将所述PI调节器的I积分项改为位置比例项。
6.一种系绳张力控制装置，其特征在于，包括：
张力传感器，用于采集系绳张力信号；
张力信号处理器，用于对所述张力传感器采集的系绳张力信号进行放大、调理，得到系绳张力反馈值；
系绳防碾压模块，将所述系绳张力反馈值与张力闭环控制器给定的系绳张力值进行比较，根据比较结果，判断是否进行系绳防碾压控制；
系绳张力抑制超调模块，比较两相邻时间点所述张力闭环控制器给定的系绳张力值的大小，根据比较结果，判断是否进行系绳张力抑制超调控制；
系绳防松弛模块，当所述张力闭环控制器给定的系绳张力值处于[0.5N,3.5N]范围内时，比较所述系绳张力反馈值与所述张力闭环控制器给定的系绳张力值的大小，根据比较结果，判断是否进行系绳防松弛控制；
系绳张力PI控制模块，根据张力闭环控制器给定的系绳张力值，对系绳张力值进行分段，采用系绳张力分段PI控制；
系绳驱动器高低速切换控制模块，根据系绳速度的大小，采用滞环控制方法对系绳驱动器进行高、低速切换控制。
7.如权利要求6所述的系绳张力控制装置，其特征在于，所述张力信号处理器包括张力传感器供电电路、张力传感器信号放大电路及张力传感器信号调零电路；
所述张力传感器供电电路主要包括AD586芯片、运算放大器OP07，为所述张力传感器供电；
所述张力传感器信号放大电路主要包括仪用放大器AD620、两级运算放大器OP07，所述张力传感器信号放大电路在放大信号的同时降低噪声的干扰，满足输出带宽的要求；
所述张力传感器信号调零电路包括硬件调零和软件调零，修正所述张力传感器信号的零点漂移。
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