CN112415888B - 一种精瞄镜双位置环切换控制方法及控制系统 - Google Patents

一种精瞄镜双位置环切换控制方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种精瞄镜双位置环切换控制方法及控制系统。方法包括：S1，从精瞄镜外部获取精瞄镜位置即第一位置，将第一位置与目标位置比较获得第一控制误差；基于精瞄镜内部驱动机构的运动信息得到精瞄镜位置即第二位置，将第二位置与目标位置比较获得第二控制误差；S2，将第一控制误差与第二控制误差差值作为误差差值；当误差差值大于差值阈值时，将第一控制模块输出信号作为精瞄镜驱动机构的控制信号，当误差差值小于等于差值阈值时，将第二控制模块输出信号作为精瞄镜驱动机构的控制信号。据误差差值大小进行两个控制环切换，针对不同误差来源使用不同控制策略，能在有限控制频率下，实现对精瞄镜的高精度控制，对迟滞特性有针对性抑制。

Description

一种精瞄镜双位置环切换控制方法及控制系统
技术领域
本发明涉及精瞄镜控制技术领域，特别是涉及一种精瞄镜双位置环切换控制方法及控制系统。
背景技术
精瞄镜的特殊性在于，其位移和驱动电压并非是完全线性关系，而是呈现非线性迟滞特性，其精瞄镜输出位置不仅和电压有关，还和上一时刻的位置有关，这种非线性迟滞特性为精瞄镜的精密位置控制造成了困难。
当前针对精瞄镜的位置控制方法主要有以下几类：一类是直接使用PID等方法进行控制，通过较高的控制频率和传感器精度，对误差进行控制，但是缺点是没有对迟滞非线性的针对性补偿方法，调参难度较高。一类是使用数学模型，如PI迟滞模型、preisach迟滞模型等，对控制的精瞄镜进行数学建模，将其逆模型作为前馈控制，通过逆模型对迟滞特性进行补偿，这类方法的缺点在于，对使用了纯数学建模的方式来补偿迟滞特性，对建模精度要求高，对不同工作频率没有针对性的变化，并且需要上一时刻的位置信息进行运算。上述现有方法均无法做到在有限控制频率下，实现对精瞄镜的高精度控制以及对迟滞特性进行有效补偿。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种精瞄镜双位置环切换控制方法及控制系统。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种精瞄镜双位置环切换控制方法，包括：S1，从精瞄镜外部获取精瞄镜位置，记为第一位置，将所述第一位置与目标位置比较获得第一控制误差，所述第一控制误差为第一控制环上第一控制模块的输入信号；获取精瞄镜内部驱动机构的运动信息,基于所述运动信息得到精瞄镜位置，记为第二位置，将所述第二位置与目标位置比较获得第二控制误差，所述第二控制误差为第二控制环上第二控制模块的输入信号；S2，将所述第一控制误差与第二控制误差的差值作为误差差值；当所述误差差值大于差值阈值时，将第一控制模块的输出信号作为精瞄镜驱动机构的控制信号，当所述误差差值小于等于差值阈值时，将第二控制模块的输出信号作为精瞄镜驱动机构的控制信号。
上述技术方案：本方法获取的第一控制误差主要反映的误差因素为外部干扰和控制误差，第二控制误差主要反映的误差因素为迟滞误差和控制误差，因此，通过误差差值的大小可判断出当前误差主因，具体的，当误差差值大于差值阈值时，可认为外部干扰相较于迟滞误差大很多，采用针对外部干扰的第一控制环控制精瞄镜驱动机构运动，当误差差值小于等于差值阈值时，可认为迟滞误差较大，采用针对迟滞误差的第二控制环控制精瞄镜驱动机构运动。本方法实现了根据误差差值大小进行第一控制环和第二控制环交叉切换工作，针对不同的误差来源使用不同的控制策略，能够在有限控制频率下，实现对精瞄镜的高精度控制，且可以对迟滞特性有针对性的抑制，使用两个控制环的交替变化相比单控制环提高了控制效果，相比现有的双控制环有效提高了控制效率。
在本发明一种优选实施方式中，所述第一位置获取过程包括：步骤A，向精瞄镜顶部反射面发射光束，利用光学探测器接收所述光束在精瞄镜顶部反射面反射后形成的反射光束；步骤B，建立所述光学探测器输出图像中光斑位置与精瞄镜位置的对应关系，记为第一对应关系；步骤C，获取光学探测器输出图像中的光斑位置，根据第一对应关系获得所述光斑位置对应的精瞄镜位置，记为第一位置。
上述技术方案：获取的第一位置能够准确包含外部干扰噪声和控制误差，且该方法需要的部件较少，数据处理简单。
在本发明一种优选实施方式中，所述第二位置获取过程包括：所述精瞄镜的驱动机构包括多组压电陶瓷，在每组压电陶瓷上设置应变片传感器；建立应变信号序列与精瞄镜位置的对应关系，记为第二对应关系；获取多个应变片传感器输出的应变信号构建应变信号序列，根据第二对应关系得到所述应变信号序列对应的精瞄镜位置，记为第二位置。
上述技术方案：获取的第二位置可以更精准地检测到迟滞误差和控制误差，不包含外部干扰噪声，并且将应变片传感器贴在精瞄镜内的压电陶瓷上，测量的精度更高。
在本发明一种优选实施方式中，所述第一控制模块和/或第二控制模块为PID控制模块。
上述技术方案：控制精度高，响应速度快。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种精瞄镜双位置环切换控制系统，包括位于精瞄镜外部用于检测精瞄镜实时位置的第一检测模块、位于精瞄镜内部检测精瞄镜驱动机构实时运动信息的第二检测模块、以及控制器；所述控制器包括：第一位置获取模块，根据第一检测模块输出信号获取第一位置；第二位置获取模块，根据第二检测模块输出信号获取第二位置；第一控制误差获取模块，将所述第一位置与目标位置比较获得第一控制误差；第二控制误差获取模块，将所述第二位置与目标位置比较获得第二控制误差；误差差值获取模块，计算所述第一控制误差与第二控制误差的差值，将所述差值作为误差差值；第一控制模块，根据所述第一控制误差获取第一控制信号；第二控制模块，根据所述第二控制误差获取第二控制信号；环路选择模块，当所述误差差值大于差值阈值时，将第一控制信号输出至精瞄镜驱动机构的控制信号输入端，当所述误差差值小于等于差值阈值时，将第二控制信号输出至精瞄镜驱动机构的控制信号输入端。
上述技术方案：本系统获取的第一控制误差主要反映的误差因素为外部干扰和控制误差，第二控制误差主要反映的误差因素为迟滞误差和控制误差，因此，通过误差差值的大小可判断出当前误差主因，具体的，当误差差值大于差值阈值时，可认为外部干扰相较于迟滞误差大很多，采用针对外部干扰的第一控制环控制精瞄镜驱动机构运动，当误差差值小于等于差值阈值时，可认为迟滞误差较大，采用针对迟滞误差的第二控制环控制精瞄镜驱动机构运动。本系统实现了根据误差差值大小进行第一控制环和第二控制环交叉切换工作，针对不同的误差来源使用不同的控制策略，能够在有限控制频率下，实现对精瞄镜的高精度控制，且可以对迟滞特性有针对性的抑制，使用两个控制环的交替变化相比单控制环提高了控制效果，相比现有的双控制环有效提高了控制效率。
在本发明一种优选实施方式中，所述第一检测模块包括光源和光学探测器；所述光源朝向精瞄镜顶部反射面发射光束，所述光束在精瞄镜顶部反射面反射后形成反射光束，所述光学探测器接收所述反射光束并输出图像，所述图像中具有反射光束形成的光斑。
上述技术方案：使得通过第一检测模块获取的第一位置能够准确包含外部干扰噪声和控制误差，结构简单。
在本发明一种优选实施方式中，所述第一位置获取模块执行以下步骤：建立图像中的光斑位置与精瞄镜位置的对应关系，记为第一对应关系；实时获取光学探测器的输出图像，获取输出图像中的光斑位置，根据第一对应关系得到所述光斑位置对应的精瞄位置，记为第一位置。
上述技术方案：数据处理简单，能够快速获得第一位置。
在本发明一种优选实施方式中，所述精瞄镜的驱动机构包括多组压电陶瓷；所述第二检测模块包括分别安装于多组压电陶瓷上的多个应变片传感器。
上述技术方案：能够准确地检测到迟滞误差和控制误差，不包含外部干扰噪声，并且将应变片传感器贴在精瞄镜内的压电陶瓷上，测量精度更高。
在本发明一种优选实施方式中，所述第二位置获取模块执行以下步骤：建立应变信号序列与精瞄镜位置的对应关系，记为第二对应关系；获取多个应变片传感器输出的应变信号构建应变信号序列，根据第二对应关系得到所述应变信号序列对应的精瞄镜位置，记为第二位置。
上述技术方案：数据处理简单，能够快速获得第二位置。
在本发明一种优选实施方式中，所述第一控制模块和/或第二控制模块为PID控制模块。
上述技术方案：控制精度高，响应速度快。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式中精瞄镜双位置环切换控制方法的流程示意图；
图2是本发明一具体实施方式中精瞄镜双位置环切换控制系统结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明公开了一种精瞄镜双位置环切换控制方法，在一种优选实施方式中，该控制方法的流程示意图如图1所示，具体包括：
S1，从精瞄镜外部获取精瞄镜位置，记为第一位置，将第一位置与目标位置比较获得第一控制误差，第一控制误差为第一控制环上第一控制模块的输入信号；获取精瞄镜内部驱动机构的运动信息,基于运动信息得到精瞄镜位置，记为第二位置，将第二位置与目标位置比较获得第二控制误差，第二控制误差为第二控制环上第二控制模块的输入信号。
S2，将第一控制误差与第二控制误差的差值作为误差差值；当误差差值大于差值阈值时，将第一控制模块的输出信号作为精瞄镜驱动机构的控制信号，当误差差值小于等于差值阈值时，将第二控制模块的输出信号作为精瞄镜驱动机构的控制信号。
在本实施方式中，第一控制误差优选但不限于为第一位置与目标位置的差值。第二控制误差优选但不限于为第二位置与目标位置的差值。
在本实施方式中，优选的，第一控制模块和/或第二控制模块为PID控制模块。PID控制模块中的控制参数可预先通过多次实验设置。
在本实施方式中，差值阈值可预先的根据多次试验设定。
在一种优选实施方式中，第一位置获取过程包括：
步骤A，向精瞄镜顶部反射面发射光束，利用光学探测器接收光束在精瞄镜顶部反射面反射后形成的反射光束；
步骤B，建立光学探测器输出图像中的光斑位置与精瞄镜位置的对应关系，记为第一对应关系；
步骤C，获取光学探测器输出图像中的光斑位置，根据第一对应关系获得光斑位置对应的精瞄镜位置，记为第一位置。
在本实施方式中，光学探测器接收反射光束后会在输出图像中形成光斑，由于光源和光探测器位置固定，因此，光斑在图像中的位置与精瞄镜位置相关联，当精瞄镜任意转动时，顶部反射面上的反射点会变化，进而使得光斑在图像中的位置也变化，因此，可事先进行多次实验获得多组相对应的光斑位置和精瞄镜位置，建立关系表，即第一对应关系，检测时可通过查表或者查表后插值处理获得光斑位置对应的精瞄镜位置。实验中，可利用高精度的三坐标测量机获得精瞄镜位置。
在一种优选实施方式中，第二位置获取过程包括：精瞄镜的驱动机构包括多组压电陶瓷，在每组压电陶瓷上设置应变片传感器；建立应变信号序列与精瞄镜位置的对应关系，记为第二对应关系；获取多个应变片传感器输出的应变信号构建应变信号序列，根据第二对应关系得到应变信号序列对应的精瞄镜位置，记为第二位置。
在本实施方式中，精瞄镜的驱动机构包括多组压电陶瓷，通过多组压电陶瓷的不同伸缩变化实现精瞄镜的各种偏转。应变片传感器可贴装于压电陶瓷侧面，用于检测压电陶瓷在长度方向(即精瞄镜轴向)的伸缩变化量。可事先进行多组压电陶瓷不同伸缩情况时获取精瞄镜的位置的实验，即不同应变信号序列时获得的精瞄镜位置，进而可通过表的形式建立第二对应关系，检测时通过查表或者查表后插值处理获得应变信号序列对应的精瞄镜位置。实验中，可利用高精度的三坐标测量机获得精瞄镜位置。
在本实施方式的一种应用场景中，基于两套精瞄镜的位置检测模块建立了两个位置控制环路并同时工作，并引入了一个控制环路选择模块，通过误差差值和阈值的对比，选择合适环路进行控制。其中，两个位置检测模块分别是光学探测器和应变片传感器。精瞄镜的双控制环切换控制方法具体包括如下步骤：
步骤一，两个位置检测模块同时采样；步骤二，将两个反馈数据分别和目标位置进行比较，并将误差分别输入到两个PID模块中，产生两个输出值；步骤三，将光学探测器的误差和应变片传感器的误差作比较，其差值和设定差值阈值进行比较，如果差值大于差值阈值，视作外部误差和控制误差占主导，使用第一控制环路的输出作为控制量；如果差值小于等于阈值，视作迟滞误差占主导，使用第二控制环路的输出作为控制量。
本发明还公开了一种精瞄镜双位置环切换控制系统，在一种优选实施方式中，系统结构如图2所示，包括位于精瞄镜外部用于检测精瞄镜实时位置的第一检测模块、位于精瞄镜内部检测精瞄镜驱动机构实时运动信息的第二检测模块、以及控制器；控制器包括：第一位置获取模块，根据第一检测模块输出信号获取第一位置；第二位置获取模块，根据第二检测模块输出信号获取第二位置；第一控制误差获取模块，将第一位置与目标位置比较获得第一控制误差；第二控制误差获取模块，将第二位置与目标位置比较获得第二控制误差；误差差值获取模块，计算第一控制误差与第二控制误差的差值，将差值作为误差差值；第一控制模块，根据第一控制误差获取第一控制信号；第二控制模块，根据第二控制误差获取第二控制信号；环路选择模块，当误差差值大于差值阈值时，将第一控制信号输出至精瞄镜驱动机构的控制信号输入端，当误差差值小于等于差值阈值时，将第二控制信号输出至精瞄镜驱动机构的控制信号输入端。
在本实施方式中，第一检测模块优选但不限于为三坐标测量机。精瞄镜的驱动机构优选但不限于为压电陶瓷、气压驱动机构、液压驱动机构。第二检测模块优选但不限于为贴装于驱动机构侧部的光栅位移传感器。
在本实施方式中，控制器汇总以上第一控制误差和第二控制误差，两者相减得到误差差值，通过对系统的误差差值分析，判定当前系统受外部噪声影响大还是迟滞误差影响大，并切换性的使用两条控制环路，这一控制过程如图2所示。
在一种优选实施方式中，如图2所示，第一检测模块包括光源和光学探测器；光源朝向精瞄镜顶部反射面发射光束，光束在精瞄镜顶部反射面反射后形成反射光束，光学探测器接收反射光束并输出图像，图像中具有反射光束形成的光斑。
在本实施方式中，光源可为激光光源。
在一种优选实施方式中，第一位置获取模块执行以下步骤：建立图像中的光斑位置与精瞄镜位置的对应关系，记为第一对应关系；实时获取光学探测器的输出图像，获取输出图像中的光斑位置，根据第一对应关系得到光斑位置对应的精瞄位置，记为第一位置。
在一种优选实施方式中，如图2所示，精瞄镜的驱动机构包括多组压电陶瓷；第二检测模块包括分别安装于多组压电陶瓷上的多个应变片传感器。
在一种优选实施方式中，第二位置获取模块执行以下步骤：建立应变信号序列与精瞄镜位置的对应关系，记为第二对应关系；获取多个应变片传感器输出的应变信号构建应变信号序列，根据第二对应关系得到应变信号序列对应的精瞄镜位置，记为第二位置。
在本实施方式的一种应用场景中，精瞄镜的运动状态会被应变片传感器采集，同时光路变化会被光学探测器采集，两组反馈信号同时输入到控制器中并转换成相同的量纲，在两个环路中分别和目标位置比较，计算第一控制误差e1和第二控制误差e1，并分别输入第一PID控制模块和第二PID控制模块，第一PID控制模块和第二PID控制模块分别生成两组控制电压V1和V2。由于应变片传感器贴在压电陶瓷上，无法检测外部干扰，于是可以通过下面的公式计算出误差差值：e(t)＝e1-e2，然后通过环路选择模块切换控制环路，环路选择模块可用环路选择函数表达，即为：
Figure GDA0004208180490000111
其中，Vout表示控制器输出至精瞄镜驱动机构的控制量，δ表示差值阈值。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种精瞄镜双位置环切换控制方法，其特征在于，包括：
S1，从精瞄镜外部获取精瞄镜位置，记为第一位置，将所述第一位置与目标位置比较获得第一控制误差，所述第一控制误差为第一控制环上第一控制模块的输入信号；
获取精瞄镜内部驱动机构的运动信息,基于所述运动信息得到精瞄镜位置，记为第二位置，将所述第二位置与目标位置比较获得第二控制误差，所述第二控制误差为第二控制环上第二控制模块的输入信号；
S2，将所述第一控制误差与第二控制误差的差值作为误差差值；
当所述误差差值大于差值阈值时，将第一控制模块的输出信号作为精瞄镜驱动机构的控制信号，当所述误差差值小于等于差值阈值时，将第二控制模块的输出信号作为精瞄镜驱动机构的控制信号；
所述第一位置获取过程包括：
步骤A，向精瞄镜顶部反射面发射光束，利用光学探测器接收所述光束在精瞄镜顶部反射面反射后形成的反射光束；
步骤B，建立所述光学探测器输出图像中光斑位置与精瞄镜位置的对应关系，记为第一对应关系；
步骤C，获取光学探测器输出图像中的光斑位置，根据第一对应关系获得所述光斑位置对应的精瞄镜位置，记为第一位置；
所述第二位置获取过程包括：
所述精瞄镜的驱动机构包括多组压电陶瓷，在每组压电陶瓷上设置应变片传感器；
建立应变信号序列与精瞄镜位置的对应关系，记为第二对应关系；
获取多个应变片传感器输出的应变信号构建应变信号序列，根据第二对应关系得到所述应变信号序列对应的精瞄镜位置，记为第二位置。
2.如权利要求1所述的精瞄镜双位置环切换控制方法，其特征在于，所述第一控制模块和/或第二控制模块为PID控制模块。
3.一种利用权利要求1或2所述精瞄镜双位置环切换控制方法的精瞄镜双位置环切换控制系统，其特征在于，包括位于精瞄镜外部用于检测精瞄镜实时位置的第一检测模块、位于精瞄镜内部检测精瞄镜驱动机构实时运动信息的第二检测模块、以及控制器；
所述控制器包括：
第一位置获取模块，根据第一检测模块输出信号获取第一位置；
第二位置获取模块，根据第二检测模块输出信号获取第二位置；
第一控制误差获取模块，将所述第一位置与目标位置比较获得第一控制误差；
第二控制误差获取模块，将所述第二位置与目标位置比较获得第二控制误差；
误差差值获取模块，计算所述第一控制误差与第二控制误差的差值，将所述差值作为误差差值；
第一控制模块，根据所述第一控制误差获取第一控制信号；
第二控制模块，根据所述第二控制误差获取第二控制信号；
环路选择模块，当所述误差差值大于差值阈值时，将第一控制信号输出至精瞄镜驱动机构的控制信号输入端，当所述误差差值小于等于差值阈值时，将第二控制信号输出至精瞄镜驱动机构的控制信号输入端。
4.如权利要求3所述的精瞄镜双位置环切换控制系统，其特征在于，所述第一检测模块包括光源和光学探测器；
所述光源朝向精瞄镜顶部反射面发射光束，所述光束在精瞄镜顶部反射面反射后形成反射光束，所述光学探测器接收所述反射光束并输出图像，所述图像中具有反射光束形成的光斑。
5.如权利要求4所述的精瞄镜双位置环切换控制系统，其特征在于，所述第一位置获取模块执行以下步骤：
建立图像中的光斑位置与精瞄镜位置的对应关系，记为第一对应关系；
实时获取光学探测器的输出图像，获取输出图像中的光斑位置，根据第一对应关系得到所述光斑位置对应的精瞄位置，记为第一位置。
6.如权利要求3所述的精瞄镜双位置环切换控制系统，其特征在于，所述精瞄镜的驱动机构包括多组压电陶瓷；
所述第二检测模块包括分别安装于多组压电陶瓷上的多个应变片传感器。
7.如权利要求6所述的精瞄镜双位置环切换控制系统，其特征在于，所述第二位置获取模块执行以下步骤：
建立应变信号序列与精瞄镜位置的对应关系，记为第二对应关系；
获取多个应变片传感器输出的应变信号构建应变信号序列，根据第二对应关系得到所述应变信号序列对应的精瞄镜位置，记为第二位置。
8.如权利要求3所述的精瞄镜双位置环切换控制系统，其特征在于，所述第一控制模块和/或第二控制模块为PID控制模块。
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