CN111338320B - 一种稳定平台故障保护系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由于稳定平台角速度传感器信号异常导致控制系统故障后的保护方法，属于自动控制领域。该方法利用系统现有的位置传感器，通过一定算法产生冗余的角速度信号。在检测到真实的角速度传感器信号产生故障时，切换到冗余信号，保证稳定平台的正常工作。该方法解决了速度传感器故障导致稳定平台失控的问题；该方法完全采用软件算法实现，算法简单，可移植性强，适合于现有光电稳瞄系统稳定平台的冗余控制。

Description

一种稳定平台故障保护系统及方法
技术领域
本发明属于自动控制领域，主要涉及一种稳定平台控制系统故障后的保护方法，尤其涉及一种稳定平台角速度传感器信号异常导致控制系统故障后的保护方法。
背景技术
光电稳瞄系统是一种安装在固定翼飞机、直升机、无人机，浮空平台、舰艇以及坦克装甲车辆等的重要光电设备，主要用于获取目标清晰稳定的图像，实现侦查、搜救以及精确打击。稳定平台是光电稳瞄系统重要组成部分，用于隔离载体的扰动，为光电稳瞄内部的光学传感器提供一个良好的工作环境。
稳定平台通常包含两个轴系，分别为方位和俯仰轴系，因此，稳定平台的伺服控制系统包含相同的两个控制通道，分别用于方位框架和俯仰框架控制。通常的方位和俯仰轴系的控制采用典型的三环路伺服控制，由外至内依次为位置回路，速度回路和电流回路。传统的控制系统采用旋转变压器作为角度传感器，采用速率陀螺作为角速度传感器，角度传感器和角速度传感器分别做为位置回路和速度回路的反馈信号加入控制系统中，实现光电稳瞄的随动和稳定任务。
传统控制方式中，未采用故障保护方法，若速率陀螺在使用的过程中出现故障，会导致速度环路反馈信号异常，进而导致转塔失控，最终导致整个任务失败。
专利号为CN100451881C(双电机冗余控制系统)采用双电机双控制系统模式，在故障状态下由双机运行模式切换至单机运行模式，实现了冗余控制，起到保护平台的作用，但是硬件上需要增加一个电机，和两个电机间的通信电路，导致系统重量变重，体积变大。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提出一种稳定平台故障保护方法，该方法依靠现有的角度传感器生成冗余的角速度信号，并且能够实时判断速度回路的工作状态，当判断角速度传感器故障后，可以采用角度传感器获得冗余的角速度信号，保证稳定平台仍然能够工作。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种稳定平台故障保护系统，其包括：故障检测模块、冗余信号生成模块、控制系统和控制回路，控制回路包括位置回路控制算法模块和速度回路控制算法模块，控制系统通过速度传感器采集转塔运动角速度ω1，通过位置传感采集转塔角位置θ1，再通过连接位置传感器的冗余信号生成模块产生冗余的角速度信号ω2，将真实的角速度信号ω1、冗余角速度信号ω2和速度命令ωcmd输入故障检测模块，故障检测模块实时判断速度控制回路的工作状态，当判断真实的角速度传感器信号ω1故障后，采用冗余角速度信号ω2作为速度反馈；系统上电后，故障检测模块默认ω＝ω1，开展系统闭环工作。
本发明还提供一种稳定平台故障保护方法，其包括以下步骤：
第一步，采集位置回路控制算法输出的速度命令ωcmd、转塔运动角速度ω1、冗余角速度信号ω2和速度传感器自检结果Rb；
第二步，对速度命令ωcmd进行低通滤波，生成新的速度命令ωcmd1：
Figure GDA0004040586230000021
式中，wlp3为低通滤波器的截止频率；
第三步，将新的速度命令ωcmd1和转塔运动角速度ω1置入深度为M的先入先出队列
Figure GDA0004040586230000031
和/>
Figure GDA0004040586230000032
求取速度命令与转塔运动角速度的误差均值ωerr：
Figure GDA0004040586230000033
M为进行速度环状态判断所采集的数据个数；
第四步，判断误差均值ωerr是否小于速度环误差阈值ψ，如果是，则速度环正常，转第七步，系统按照正常工作流程执行；否则，表明速度环工作状态为故障，转第五步；
第五步，故障检测模块判断速度传感器周期性自检结果Rb是否为1，如果为1，则速度传感器正常，转第七步，否则表示速度传感器故障，转第六步；
第六步，将故障传感器的信号断开，将冗余角速度信号ω2幅值给ω，作为转塔运动角速度，用于速度回路闭环，ω＝ω2；
第七步，工作正常，将转塔运动角速度ω1幅值给ω，用于速度回路闭环，ω＝ω1。
其中，所述第一步中，冗余角速度信号ω2的计算过程为：
第一步，故障检测模块采集位置传感器发出的转塔角位置信号θ1；
第二步，冗余信号生成模块采用如下的传递函数，利用转塔角位置信号θ1，生成冗余的角速度信号；
Figure GDA0004040586230000034
式中，s为拉普拉斯变换中的复变量，wlp1为低通滤波器的截止频率。
其中，所述第二步中，低通滤波时，低通滤波器的截止频率选为速度环路带宽的3-4倍。
其中，所述第四步中，误差阈值选择为系统最大速度的1％。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的稳定平台故障保护方法，有益效果体现在以下几个方面。
(1)本发明能够对由于速度传感器故障导致的转塔失控进行保护，可保证角速度传感器故障后，稳定平台仍然能够正常工作；
(2)本发明中的故障检测模块能够实时判断速度控制回路的工作状态，当速度传感器故障时，快速切换到冗余的信号，保证转塔的部分功能仍然能够正常使用；
(3)本发明无需额外增加传感器和硬件，所采用的冗余信号生成模块和故障检测模块算法简单，实现方便，移植性好，从而使本发明具有更广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明故障保护系统原理图。
图2是本发明要实现的冗余备份方法的控制流程图。
图3是本发明故障保护方法的工作流程图。
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示出了本发明伺服控制系统实现稳定平台故障保护功能的原理框图。控制系统通过速度传感器采集转塔运动角速度ω1，通过位置传感采集转塔角位置θ1，再通过冗余信号生成模块产生冗余的角速度信号ω2，将真实的角速度信号ω1、冗余角速度信号ω2和速度命令ωcmd输入故障检测模块，故障检测模块能够实时判断速度控制回路的工作状态，当判断真实的角速度传感器信号ω1故障后，可以采用冗余角速度信号ω2作为速度反馈，保证稳定平台仍然能够工作。
系统上电后，故障检测模块默认ω＝ω1，开展系统闭环工作。
图2示出了本发明冗余信号生成模块的工作流程。
第一步，故障检测模块采集位置传感器发出的转塔角位置信号θ1。
第二步，冗余信号生成模块采用如下的传递函数，利用转塔角位置信号θ1，生成冗余的角速度信号。
Figure GDA0004040586230000051
式中s为拉普拉斯变换中的复变量，wlp1为低通滤波器的截止频率。在本实施例中，光电转塔的速度环路带宽约为30Hz，为保证生成的冗余角速度信号的实时性与快速性，低通滤波器的截止频率一般选为速度环路带宽的3-4倍，这里选wlp1＝100Hz。冗余信号生成模块随系统一同工作，可实时输出生成的冗余角速度信号ω2。
图3示出了本发明故障检测模块的工作流程。
第一步，采集位置回路控制算法输出的速度命令ωcmd、转塔运动角速度ω1、冗余角速度信号ω2和速度传感器自检结果Rb。
第二步，对速度命令ωcmd进行低通滤波，生成新的速度命令ωcmd1
Figure GDA0004040586230000052
式中wlp3为低通滤波器的截止频率，一般不超过速度环路的带宽。在本实施例中，参数wlp3＝30Hz。
第三步，将新的速度命令ωcmd1和转塔运动角速度ω1置入深度为M的先入先出队列
Figure GDA0004040586230000061
和/>
Figure GDA0004040586230000062
采用如下算法，求取速度命令与转塔运动角速度的误差均值ωerr。
Figure GDA0004040586230000063
/>
本实施例中，M＝300，其含义为采集300个数据进行速度环状态判断。
第四步，判断误差均值ωerr是否小于速度环误差阈值ψ，如果是，则速度环正常，转第七步，系统按照正常工作流程执行；否则，表明速度环工作状态为故障，转第五步。
本实施例中，光电转塔的速度环路为无静差系统，理想情况下速度环误差为0，但考虑到电气噪声和采样误差等因素的影响，误差阈值选择为系统最大速度的1％，即ψ＝1.2°/s。
第五步，故障检测模块判断速度传感器周期性自检结果Rb是否为1，如果为1，则速度传感器正常，转第七步，否则表示速度传感器故障，转第六步；
第六步，由于第四步判断速度环工作异常后转入第五步，第五步判断速率传感器自检结果为0，表示速率传感器故障，至此可判断系统是由于速率传感器故障导致速度环工作异常，因此将故障传感器的信号断开，将冗余角速度信号ω2幅值给ω，作为转塔运动角速度，用于速度回路闭环，ω＝ω2。
第七步，工作正常，将转塔运动角速度ω1幅值给ω，用于速度回路闭环，ω＝ω1。
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 (4)

1.一种稳定平台故障保护系统，其特征在于，包括：故障检测模块、冗余信号生成模块、控制系统和控制回路，控制回路包括位置回路控制算法模块和速度回路控制算法模块，控制系统通过速度传感器采集转塔运动角速度ω1，通过位置传感采集转塔角位置信号θ1，再通过连接位置传感器的冗余信号生成模块产生冗余的角速度信号ω2，将真实的角速度信号ω1、冗余角速度信号ω2和速度命令ωcmd输入故障检测模块，故障检测模块实时判断速度控制回路的工作状态，当判断真实的角速度传感器信号ω1故障后，采用冗余角速度信号ω2作为速度反馈；系统上电后，故障检测模块默认ω＝ω1，开展系统闭环工作；
冗余角速度信号ω2的计算过程为：
第一步，故障检测模块采集位置传感器发出的转塔角位置信号θ1；
第二步，冗余信号生成模块采用如下的传递函数，利用转塔角位置信号θ1，生成冗余的角速度信号；
Figure QLYQS_1
式中，s为拉普拉斯变换中的复变量，wlp 1为低通滤波器的截止频率。
2.一种稳定平台故障保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，采集位置回路控制算法输出的速度命令ωcmd、转塔运动角速度ω1、冗余角速度信号ω2和速度传感器自检结果Rb；
第二步，对速度命令ωcmd进行低通滤波，生成新的速度命令ωcmd1：
Figure QLYQS_2
式中，wlp3为低通滤波器的截止频率；
第三步，将新的速度命令ωcmd1和转塔运动角速度ω1置入深度为M的先入先出队列
Figure QLYQS_3
和/>
Figure QLYQS_4
求取速度命令与转塔运动角速度的误差均值ωerr：
Figure QLYQS_5
M为进行速度环状态判断所采集的数据个数；
第四步，判断误差均值ωerr是否小于速度环误差阈值ψ，如果是，则速度环正常，转第七步，系统按照正常工作流程执行；否则，表明速度环工作状态为故障，转第五步；
第五步，故障检测模块判断速度传感器周期性自检结果Rb是否为1，如果为1，则速度传感器正常，转第七步，否则表示速度传感器故障，转第六步；
第六步，将故障传感器的信号断开，将冗余角速度信号ω2幅值给ω，作为转塔运动角速度，用于速度回路闭环，ω＝ω2；
第七步，工作正常，将转塔运动角速度ω1幅值给ω，用于速度回路闭环，ω＝ω1；
所述第一步中，冗余角速度信号ω2的计算过程为：
第一步，故障检测模块采集位置传感器发出的转塔角位置信号θ1；
第二步，冗余信号生成模块采用如下的传递函数，利用转塔角位置信号θ1，生成冗余的角速度信号；
Figure QLYQS_6
式中，s为拉普拉斯变换中的复变量，wlp1为低通滤波器的截止频率。
3.根据权利要求2所述的稳定平台故障保护方法，其特征在于，所述第二步中，低通滤波时，低通滤波器的截止频率选为速度环路带宽的3-4倍。
4.根据权利要求2所述的稳定平台故障保护方法，其特征在于，所述第四步中，误差阈值选择为系统最大速度的1％。
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