CN112051725A - 一种高精度间接传动伺服稳定控制方法 - Google Patents

一种高精度间接传动伺服稳定控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度间接传动伺服稳定控制方法，涉及伺服控制技术领域。本方法将控制过程分为大误差阶段和小误差阶段，实现不同的控制目的。大误差阶段的控制目的为快速响应误差变化，迅速减小误差量值；小误差阶段的控制目的为隔离高频扰动，提高低频精度。本方法针对两个阶段采取不同的控制策略：大误差阶段采用比例加微分的控制策略，比例控制能迅速减小误差量值，同时快速响应误差的正负方向变化，微分控制能快速响应误差的量值变化。小误差阶段在前向通道采用比例加积分的控制策略提高低频精度，在反馈通道采用不完全微分的控制策略隔离高频扰动。本发明方法实现了对导引头的稳定平台的稳定控制，提高了间接传动伺服系统的控制精度。

Description

一种高精度间接传动伺服稳定控制方法
技术领域
本发明涉及伺服控制技术领域，具体涉及一种高精度间接传动伺服稳定控制方法。
背景技术
在导引头中，稳定平台是保证探测器空间指向稳定和以给定速度运动的伺服系统。伺服稳定控制方法则是稳定平台的核心，将稳定平台内的陀螺、电机等联接成一个闭环系统，决定了稳定平台的性能。
在一些导引头中，受空间限制，电机需要采用齿轮传动的方式。齿轮间隙和传输延迟给稳定平台引入了非线性干扰，降低了系统精度和稳定性。
为了提高导引头稳定平台的性能，大部分文献从控制算法的结构或干扰的测量入手，通过增加控制算法的校正环节，将测量或观测得到的干扰进行前馈补偿等方式，以提高性能。复杂的控制算法势必会降低响应速度，对处理芯片的要求较高；间接传动的干扰属于不可测量项，而采用干扰观测的方法需要系统建模准确，否则会引入误差，同时干扰观测存在明显的延迟。
因此如何在不增加计算复杂度的前提下，对导引头的稳定平台进行稳定控制，提高间接传动伺服系统的控制精度，是目前亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高精度间接传动伺服稳定控制方法，能够适用于伺服稳定平台的控制，提高间接传动伺服系统的控制精度。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种高精度间接传动伺服稳定控制方法，该方法用于对导引头的稳定平台进行伺服稳定控制，该方法包括如下步骤：
设定三个误差阈值，包括第一阈值E1，第二阈值E2，第三阈值E3，其中E1<E2<E3。
取导引头稳定平台在当前采样周期的控制输出值u与稳定控制值y之差为误差e，若e>E3，则当前采样周期处于大误差阶段，若e＜E1，则当前采样周期处于小误差阶段，若E2≥e≥E1，则当前采样周期处于重叠阶段。
大误差阶段采用大误差控制方法，大误差控制方法为：正向通道选用比例微分控制即PD控制的控制算法，反馈通道选用不完全微分控制算法。
小误差阶段采用小误差控制方法，小误差控制方法为：前向通道选用比例积分控制即PI控制，反馈通道选用不完全微分控制算法。
若当前采样周期处于大误差阶段或小误差阶段；则采用如下方式得到当前采样周期的控制输出实际值：
设定滑动窗口的长度为n，n为大于1的整数；导引头稳定平台的当前采样周期的控制输出为C(1)，上一采样周期的控制输出为C(2)，依此类推得到当前采样周期的前n-1个采样周期的控制输出C(n)。
当前采样周期的前k-1个采样周期的控制输出为C(k)，C(k)的系数为w(k)：
Figure BDA0002603355690000021
其中k为1-n之间的任意值，Σn为1～n的和。
则当前采样周期的控制输出实际值为
Figure BDA0002603355690000022
若当前采样周期处于重叠阶段，则当前采样周期的控制输出实际值为：
F＝pLFL+pSFS
其中pL为大误差控制输出系数，
Figure BDA0002603355690000023
FL为当前采样周期采用大误差控制方法时的控制输出；pS为小误差控制输出系数，pS＝1-pL；FS为当前采样周期采用小误差控制方法时的控制输出。
当前采样周期的控制输出实际值与不完全微分控制反馈值相减后经负载传递函数输出稳定控制值y。
反馈通道以稳定控制值y作为输入利用不完全微分控制算法计算得到不完全微分控制反馈值。
本发明另一个实施例还提供了一种高精度间接传动伺服稳定控制系统，包括第一减法器、大误差控制模块、小误差控制模块、控制选择模块、第二减法器、负载传递函数模块以及不完全微分控制模块；稳定控制系统以导引头的稳定平台的控制输出值u作为输入，最终输出针对u的稳定控制值y。
其中第一减法器以导引头的稳定平台的控制输出u和稳定控制值y作为输入，输出为误差e＝u-y。
大误差控制模块为比例微分PD控制的控制算法；小误差控制模块为比例积分PI控制的控制算法。
若e>E3，则执行大误差控制模块，即执行比例微分PD控制的控制算法，得到控制输出。
若e＜E1，则执行小误差控制模块，即执行比例积分PI控制的控制算法，得到控制输出。
控制选择模块在e>E3，或者e＜E1时，获取当前采样周期的控制输出为C(1)，上一采样周期的控制输出为C(2)，依此类推得到当前采样周期的前n-1个采样周期的控制输出C(n)；当前采样周期的前k-1个采样周期的控制输出为C(k)，C(k)的系数为w(k)：
Figure BDA0002603355690000031
其中k为1-n之间的任意值，Σn为1～n的和。
则控制选择模块计算得到的当前采样周期的控制输出实际值为
Figure BDA0002603355690000041
若E2≥e≥E1，大误差控制模块和小误差控制模块均执行，分别得到当前采样周期的大误差控制模块的控制输出FL和小误差控制模块的控制输出Fs。
控制选择模块在E2≥e≥E1时，计算当前采样周期的控制输出实际值为：
F＝pLFL+pSFS
其中pL为大误差控制输出系数，
Figure BDA0002603355690000042
pS为小误差控制输出系数，pS＝1-pL。
其中三个误差阈值为预设值，分别为第一阈值E1，第二阈值E2，第三阈值E3，其中E1<E2<E3。
第二减法器以控制选择模块计算的当前采样周期的控制输出实际值与不完全微分控制模块的输出值做减法，第二减法器的输出经负载传递函数模块进行输出得到稳定控制值y。
不完全微分控制模块以稳定控制值y作为输入，输出为不完全微分控制反馈值。
有益效果：
本发明提供的高精度间接传动伺服稳定控制方法，将控制过程分为两个阶段：大误差阶段和小误差阶段，实现不同的控制目的。大误差阶段的控制目的为快速响应误差变化，迅速减小误差量值；小误差阶段的控制目的为隔离高频扰动，提高低频精度。本方法针对两个阶段采取不同的控制策略：大误差阶段采用比例加微分的控制策略，比例控制能迅速减小误差量值，同时快速响应误差的正负方向变化，微分控制能快速响应误差的量值变化。小误差阶段在前向通道采用比例加积分的控制策略提高低频精度，在反馈通道采用不完全微分的控制策略隔离高频扰动。本方法在各阶段的控制策略中引入滑动窗口的概念，即记录控制算法的n个历史输出，分别乘以特定系数，然后相加做为当前的输出。历史输出离当前时间越近，乘以的系数越大。本方法在两个阶段的切换上加入平滑过渡处理。大误差阶段和小误差阶段有重叠区域，在重叠区域，同时计算两个阶段的控制输出，并分别乘以加权系数，然后求和做为最终的输出。两个加权系数之和为1，在重叠区域，误差越大，大误差阶段的控制输出乘以的加权系数也越大；误差越小，小误差阶段的控制输出乘以的加权系数越大。因此本发明方法无复杂的控制算法，没有增加计算复杂度，且实现了对导引头的稳定平台的稳定控制，提高了间接传动伺服系统的控制精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高精度间接传动伺服稳定控制系统组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种高精度间接传动伺服稳定控制方法，该方法用于对导引头的稳定平台进行伺服稳定控制，该方法包括如下步骤：
设定三个误差阈值，包括第一阈值E1，第二阈值E2，第三阈值E3，其中E1<E2<E3。三个误差阈值可依据经验进行选择，即通过多次实验选择最优取值。
取导引头稳定平台的当前采样周期的控制输出值u与稳定控制值y之差为误差e，若e>E3，则当前采样周期处于大误差阶段，若e＜E1，则当前采样周期处于小误差阶段，若E2≥e≥E1，则当前采样周期处于重叠阶段。
本发明将控制过程分为两个阶段：大误差阶段和小误差阶段，实现不同的控制目的。大误差阶段的控制目的为快速响应误差变化，迅速减小误差量值，因此大误差阶段采用大误差控制方法，该大误差控制方法正向通道选用比例微分控制即PD控制的控制算法，反馈通道选用不完全微分控制算法，该PD控制的控制算法能够快速响应误差变化，迅速减小误差量值。小误差阶段的控制目的为隔离高频扰动，提高低频精度。因此小误差阶段采用小误差控制方法，该小误差控制方法为：前向通道选用比例积分控制即PI控制，反馈通道选用不完全微分控制。
若当前采样周期处于大误差阶段或小误差阶段；则采用如下方式得到当前采样周期的控制输出实际值：
设定滑动窗口的长度为n，n为大于1的整数；导引头稳定平台的当前采样周期的控制输出为C(1)，上一采样周期的控制输出为C(2)，依此类推得到当前采样周期的前n-1个采样周期的控制输出C(n)。
当前采样周期的前k-1个采样周期的控制输出为C(k)，C(k)的系数为w(k)：
Figure BDA0002603355690000061
其中k为1-n之间的任意值，Σn为1～n的和。
则当前采样周期的控制输出实际值为
Figure BDA0002603355690000062
即本发明通过设定滑动窗口，实现了记录控制算法的n个历史输出，分别乘以特定系数，然后相加做为当前的输出。历史输出离当前时间越近，乘以的系数越大。据此对当前采样周期的控制输出进行校正，得到当前采样周期的控制输出实际值F(1)，F(1)由于考虑了历史的控制输出，因此更加贴近真实值。
若当前采样周期处于重叠阶段，则当前采样周期的控制输出实际值为：
F＝pLFL+pSFS
其中pL为大误差控制输出系数，
Figure BDA0002603355690000071
FL为当前采样周期采用大误差控制方法时的控制输出；pS为小误差控制输出系数，pS＝1-pL；FS为当前采样周期采用小误差控制方法时的控制输出。
当前采样周期的控制输出实际值与不完全微分控制反馈值相减后经负载传递函数输出稳定控制值y。
反馈通道以稳定控制值y作为输入利用不完全微分控制算法计算得到不完全微分控制反馈值。
即本方法在两个阶段的切换上加入平滑过渡处理。大误差阶段和小误差阶段有重叠区域，在重叠区域，同时计算两个阶段的控制输出，并分别乘以加权系数，然后求和做为最终的输出。两个加权系数之和为1，在重叠区域，误差越大，大误差阶段的控制输出乘以的加权系数也越大；误差越小，小误差阶段的控制输出乘以的加权系数越大。
因此本发明方法无复杂的控制算法，没有增加计算复杂度，且实现了对导引头的稳定平台的稳定控制，提高了间接传动伺服系统的控制精度。
本发明另一个实施例还提供了一种高精度间接传动伺服稳定控制系统，其组成如图1所示，包括第一减法器、大误差控制模块、小误差控制模块、控制选择模块、第二减法器、负载传递函数模块以及不完全微分控制模块；稳定控制系统以导引头的稳定平台的控制输出值u作为输入，最终输出针对u的稳定控制值y。
其中第一减法器以导引头的稳定平台的控制输出u和稳定控制值y作为输入，输出为误差e＝u-y。
大误差控制模块为比例微分PD控制的控制算法；小误差控制模块为比例积分PI控制的控制算法。
若e>E3，则执行大误差控制模块，即执行比例微分PD控制的控制算法，得到控制输出。
若e＜E1，则执行小误差控制模块，即执行比例积分PI控制的控制算法，得到控制输出。
控制选择模块在e>E3，或者e＜E1时，获取当前采样周期的控制输出为C(1)，上一采样周期的控制输出为C(2)，依此类推得到当前采样周期的前n-1个采样周期的控制输出C(n)；当前采样周期的前k-1个采样周期的控制输出为C(k)，C(k)的系数为w(k)：
Figure BDA0002603355690000081
其中k为1-n之间的任意值，Σn为1～n的和。
则控制选择模块计算得到的当前采样周期的控制输出实际值为
Figure BDA0002603355690000082
若E2≥e≥E1，大误差控制模块和小误差控制模块均执行，分别得到当前采样周期的大误差控制模块的控制输出FL和小误差控制模块的控制输出FS。
控制选择模块在E2≥e≥E1时，计算当前采样周期的控制输出实际值为：
F＝pLFL+psFs
其中pL为大误差控制输出系数，
Figure BDA0002603355690000083
ps为小误差控制输出系数，pS＝1-pL。
其中三个误差阈值为预设值，分别为第一阈值E1，第二阈值E2，第三阈值E3，其中E1<E2<E3。
第二减法器以控制选择模块计算的当前采样周期的控制输出实际值与不完全微分控制模块的输出值做减法，第二减法器的输出经负载传递函数模块进行输出得到稳定控制值y。
不完全微分控制模块以稳定控制值y作为输入，输出为不完全微分控制反馈值。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高精度间接传动伺服稳定控制方法，其特征在于，该方法用于对导引头的稳定平台进行伺服稳定控制，该方法包括如下步骤：
设定三个误差阈值，包括第一阈值E1，第二阈值E2，第三阈值E3，其中E1<E2<E3；
取导引头稳定平台在当前采样周期的控制输出值u与稳定控制值y之差为误差e，若e>E3，则当前采样周期处于大误差阶段，若e＜E1，则当前采样周期处于小误差阶段，若E2≥e≥E1，则当前采样周期处于重叠阶段；
所述大误差阶段采用大误差控制方法，所述大误差控制方法为：正向通道选用比例微分控制即PD控制的控制算法，反馈通道选用不完全微分控制算法；
所述小误差阶段采用小误差控制方法，所述小误差控制方法为：前向通道选用比例积分控制即PI控制，反馈通道选用不完全微分控制算法；
若当前采样周期处于大误差阶段或小误差阶段；则采用如下方式得到当前采样周期的控制输出实际值：
设定滑动窗口的长度为n，n为大于1的整数；导引头稳定平台的当前采样周期的控制输出为C(1)，上一采样周期的控制输出为C(2)，依此类推得到当前采样周期的前n-1个采样周期的控制输出C(n)；
当前采样周期的前k-1个采样周期的控制输出为C(k)，C(k)的系数为w(k)：
Figure FDA0002603355680000011
其中k为1-n之间的任意值，Σn为1～n的和；
则当前采样周期的控制输出实际值为
Figure FDA0002603355680000012
若当前采样周期处于重叠阶段，则当前采样周期的控制输出实际值为：
F＝pLFL+psFs
其中pL为大误差控制输出系数，
Figure FDA0002603355680000013
FL为当前采样周期采用大误差控制方法时的控制输出；pS为小误差控制输出系数，pS＝1-pL；FS为当前采样周期采用小误差控制方法时的控制输出；
当前采样周期的控制输出实际值与不完全微分控制反馈值相减后经负载传递函数输出所述稳定控制值y；
所述反馈通道以所述稳定控制值y作为输入利用不完全微分控制算法计算得到不完全微分控制反馈值。
2.一种高精度间接传动伺服稳定控制系统，其特征在于，包括第一减法器、大误差控制模块、小误差控制模块、控制选择模块、第二减法器、负载传递函数模块以及不完全微分控制模块；所述稳定控制系统以所述导引头的稳定平台的控制输出值u作为输入，最终输出针对u的稳定控制值y；
其中第一减法器以所述导引头的稳定平台的控制输出u和所述稳定控制值y作为输入，输出为误差e＝u-y；
所述大误差控制模块为比例微分PD控制的控制算法；所述小误差控制模块为比例积分PI控制的控制算法；
若e>E3，则执行大误差控制模块，即执行比例微分PD控制的控制算法，得到控制输出；
若e＜E1，则执行小误差控制模块，即执行比例积分PI控制的控制算法，得到控制输出；
所述控制选择模块在e>E3，或者e＜E1时，获取当前采样周期的控制输出为C(1)，上一采样周期的控制输出为C(2)，依此类推得到当前采样周期的前n-1个采样周期的控制输出C(n)；当前采样周期的前k-1个采样周期的控制输出为C(k)，C(k)的系数为w(k)：
Figure FDA0002603355680000021
其中k为1-n之间的任意值，Σn为1～n的和；
则控制选择模块计算得到的当前采样周期的控制输出实际值为
Figure FDA0002603355680000031
若E2≥e≥E1，大误差控制模块和小误差控制模块均执行，分别得到当前采样周期的大误差控制模块的控制输出FL和小误差控制模块的控制输出FS；
控制选择模块在E2≥e≥E1时，计算当前采样周期的控制输出实际值为：
F＝pLFL+psFs
其中pL为大误差控制输出系数，
Figure FDA0002603355680000032
pS为小误差控制输出系数，pS＝1-pL；
其中三个误差阈值为预设值，分别为第一阈值E1，第二阈值E2，第三阈值E3，其中E1<E2<E3；
第二减法器以所述控制选择模块计算的当前采样周期的控制输出实际值与所述不完全微分控制模块的输出值做减法，第二减法器的输出经所述负载传递函数模块进行输出得到稳定控制值y；
所述不完全微分控制模块以所述稳定控制值y作为输入，输出为不完全微分控制反馈值。
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