CN112578666B - 一种天线伺服调转的控制方法和系统 - Google Patents

一种天线伺服调转的控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天线伺服调转的控制方法和系统，其特征在于，所述方法包括：S1：确定天线伺服系统变增益控制算法和稳定跟踪控制算法切换的误差阈值；S2：判断误差的绝对值和误差阈值关系；若误差的绝对值大于误差阈值，执行步骤S3；若误差的绝对值小于等于误差阈值，执行步骤S4；S3：所述天线伺服系统的位置环采用所述变增益控制算法进行天线位置调整；S4：所述天线伺服系统的位置环采用稳定跟踪控制算法对天线位置稳定跟踪。

Description

一种天线伺服调转的控制方法和系统
技术领域
本发明涉及一种天线控制方法，特别是一种天线伺服调转的控制方法和系统。
背景技术
天线伺服系统在日常使用中往往有两种特定工况：一种是天线调转，另一种是稳定跟踪。天线调转的工况下要求伺服从当前位置以尽可能短的时间前往指定位置，指定位置到当前位置的距离一般在十度以上。此时伺服接收到的控制指令是突变的：在调转前控制指令一般为伺服系统的当前位置，在发生调转的时刻控制指令突变为指定位置，此后控制指令一直保持为指定位置。而稳定跟踪(引导)工况下，控制指令则是随时间连续变化的位置值序列，控制指令位置值序列中任意相邻两个位置值差分后得到的目标速度、加速度不会大于伺服系统能达到的最大速度、加速度。调转工况下往往希望伺服系统到达指定位置时无超调、无振荡、稳定性好；而稳定跟踪(引导)工况下希望伺服系统实现高增益、高动态响应。两种工况的要求对伺服系统而言是存在一定矛盾的。
天线伺服系统的另一个特点为属于大惯量伺服系统，往往伺服系统能达到的速度、加速度或者结构件能承受的速度、加速度是受限的，这在控制策略上必须加以考虑。
在稳定跟踪(引导)工况下，天线伺服系统一般位置环采用比例积分(PI)校正环节，PI在小误差下无静差，增益大，符合稳定跟踪(引导)工况的要求。但是PI在大调转的条件下存在问题：在调转过程中目标位置和当前位置的误差在调转的前半段一直很大，由于积分饱和效应，PI的积分项会累积得很大，导致退积分速度慢，会引起大超调和多次振荡，产生的冲击会减小设备的寿命并可能造成安全隐患。
发明内容
为解决背景技术中所提出的技术问题中的至少一个，本发明的一个目的在于提供一种天线伺服调转的控制方法，具体步骤为：
S1：确定天线伺服系统变增益控制算法和稳定跟踪控制算法切换的误差阈值；
S2：判断误差的绝对值和误差阈值关系；
若误差的绝对值大于误差阈值，执行步骤S3；
若误差的绝对值小于等于误差阈值，执行步骤S4；
S3：所述天线伺服系统的位置环采用所述变增益控制算法进行天线位置调整；
S4：所述天线伺服系统的位置环采用稳定跟踪控制算法对天线位置稳定跟踪。
所述误差阈值的确定方法包括：
所述天线伺服系统的位置环采用所述稳定跟踪控制算法，对天线进行阶跃测试，得到阶跃幅值结果集，在所述阶跃幅值结果集中选出最大的震荡次数不超过1.5次的阶跃幅值并将其作为阈值上限；
所述天线伺服系统的位置环采用纯比例控制算法，对天线进行阶跃测试，得到位置环稳定的最大纯比例增益Kpmax，将
Figure BDA0002799290870000021
作为阈值下限，其中，Kpmax为最大纯比例增益，amax为所述天线伺服系统能达到的最大加速度。
所述误差阈值大于所述阈值下限并且小于所述阈值上限。
所述误差E为当前位置到指令位置的角度差。
所述变增益控制算法包括：
当误差E大于等于零时，设定所述变增益控制算法的目标速度为
Figure BDA0002799290870000022
当误差E小于零时，设定所述变增益控制算法的目标速度为
Figure BDA0002799290870000023
其中fabs(E)为误差E的绝对值。
本发明的另一个目的在于提供一种天线伺服调转的控制系统，具体包括：
天线；
天线监测模块，用于获取天线的当前位置和角度信息并传送至天线伺服控制模块；
天线伺服控制模块，用于判断天线的位置状态，计算得到误差阈值并根据实际误差值和所述误差阈值的大小关系确定对天线进行误差补偿的控制算法。
所述控制算法包括：变增益控制算法和稳定跟踪控制算法。
当所述误差的绝对值小于等于所述误差阈值时，所述天线伺服控制模块利用所述稳定跟踪控制算法对所述天线进行误差补偿；当所述误差的绝对值大于所述误差阈值时，所述天线伺服控制模块利用所述变增益控制算法对所述天线进行误差补偿。
本发明的有益效果如下：
本发明运用变增益控制算法和稳定跟踪控制算法相交替来控制天线的角度转动，解决了由于积分饱和效应导致的退积分速度慢所引起的大超调和多次振荡，延长了设备的寿命，降低了安全隐患的发生率，且过程中不会产生超调和振荡。
附图说明
图1示出本发明一个实施例提出的一种天线伺服调转的控制方法的闭环架构示意图；
图2示出本发明一个实施例提出的一种天线伺服调转的控制方法下的天线180°调转位置和速度曲线；
图3示出本发明一个实施例提出的一种天线伺服调转的控制系统的模块图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1所示，本实施例具体提供了一种天线伺服调转的控制方法，该方法包括：
S1：确定天线伺服系统变增益控制算法和稳定跟踪控制算法切换的误差阈值；
S2：判断误差的绝对值和误差阈值关系；
若误差的绝对值大于误差阈值，执行步骤S3；
若误差的绝对值小于等于误差阈值，执行步骤S4；
S3：所述天线伺服系统的位置环采用所述变增益控制算法进行天线位置调整；
S4：所述天线伺服系统的位置环采用稳定跟踪控制算法对天线位置稳定跟踪。
所述S1具体包括：使用稳定跟踪段的算法进行阶跃测试，测试得到振荡次数不超过1.5次的最大阶跃幅值作为阈值上限；使用纯比例控制算法测试得到位置环稳定的最大纯比例增益Kpmax，
Figure BDA0002799290870000041
作为阈值下限，其中amax为系统能达到的或者能承受的最大加速度。根据实际情况，在阈值下限到阈值上限的范围内选取合适的值作为误差阈值。
所述S2在进行当前误差的绝对值的判断之后，会选定对应的控制方法，所述误差可以为当前位置到目标位置的角度差或者距离差，在本实施例中，误差代表当前位置和目标位置的角度差。当误差的绝对值大于误差阈值时，采用变增益控制算法进行大角度的调转。所述变增益控制算法具体包括：E≥0时，
Figure BDA0002799290870000042
E<0时，
Figure BDA0002799290870000043
其中amax为系统能达到的或者能承受的最大加速度。
在加速过程中，系统会控制目标速度的绝对值fabs(Vobj)小于等于系统允许的最大速度Vmax
这种控制算法其实是变增益系统，如果将位置环依然看作是一个比例环节，那么位置环的等效比例增益为
Figure BDA0002799290870000044
当误差很大时，即系统刚开始调转、距离目标位置很远时，系统位置环增益很小；随着调转过程进行，误差不断减小，系统位置环增益逐渐增大。
当误差的绝对值小于误差阈值时，位置环切换至稳定跟踪控制算法来控制天线，两种算法的切换避免了大超调和多次振荡，当误差的绝对值减小至低于误差阈值时，由变增益控制算法切换至稳定追踪控制算法，其中，
所述稳定追踪控制算法包括PI(比例积分控制算法)、PID(比例积分微分控制算法)和超前滞后控制算法。
在现有技术中，为解决纯PI引起的问题常采取比例和PI切换的方法：在误差较大的情况下采取纯比例控制，随着误差减小当误差降低到设定阈值以下时切换到PI控制。这是目前采用最多的调转切换模式，算法较为简单，但是纯比例控制在调转的减速段存在问题。使用纯比例环节进行减速时，减速切换点距离终止位置的距离很近，如果系统的加速度受限，减速段不能充分减速；当切换到PI控制时系统实际速度依然很大，依然会产生大超调和多次振荡。
在一个具体的实施例中，天线伺服系统的方位方向能达到的最大速度为60°/s，最大加速度为10°/s2，方位初始位置为360°，需要执行大角度调转到指令位置180°。
所述天线伺服系统首先确定变增益控制和稳定跟踪控制算法切换的误差阈值为2°。
如图2所示，为天线由360°至180°转动的速度(Vel)角度(Angle)变化图，其中，图中的左侧坐标轴代表天线的转动速度，右侧坐标轴代表天线的当前角度，横坐标轴代表时间。调转开始时，由于方位当前位置和目标位置之间的误差E为180°，其绝对值大于设置的误差阈值2°，采用变增益控制算法进行大角度调转，通过变增益算法计算得到目标速度Vobj，由于调转过程中方位当前位置和目标位置之间的误差E和目标速度Vobj一直为负，Vobj满足以下条件：
Figure BDA0002799290870000051
如果fabs(Vobj)>Vmax，则令Vobj＝-Vmax，其中amax＝10°/s2，系统允许的最大速度Vmax＝60°/s。
需要注意的是最大速度Vmax和最大加速度amax可根据情况进行调整，并不限于上述举例中的数值。
其中fabs(E)代表误差的绝对值，fabs(Vobj)指目标速度的绝对值；在变增益控制算法的控制下，方位角度值由360°开始不断减小，向180°指令位置运动。当方位运动到182°时，由于方位当前位置和目标位置之间的误差绝对值小于等于设置的误差阈值2°，切换至稳定跟踪控制算法及PI或其他常见的控制算法。在PI或其他常见控制算法的作用下完成最后2°的运动，定位到指令位置180°。
实施例二：
如图3所述，本实施例具体提供了一种用于天线伺服调转的控制系统，其中，001为所述控制系统，该系统包括：
天线；
天线监测模块，用于获取所述天线的当前位置和角度信息并传送至天线伺服控制模块；
天线伺服控制模块，用于判断天线的位置状态，计算得到误差阈值并根据实际误差值和所述误差阈值的大小关系确定对天线进行误差补偿的控制算法。
所述控制算法包括：变增益控制算法和稳定跟踪控制算法。
还包括：当所述误差的绝对值小于等于所述误差阈值时，所述天线控制模块利用所述稳定跟踪控制算法对所述天线进行误差补偿；当所述误差的绝对值大于所述误差阈值时，所述天线控制模块利用所述变增益控制算法对所述天线进行误差补偿。

Claims (5)

1.一种天线伺服调转的控制方法，其特征在于，包括，
S1：确定天线伺服系统变增益控制算法和稳定跟踪控制算法切换的误差阈值；
S2：判断误差E的绝对值和误差阈值关系；
若误差E的绝对值大于误差阈值，执行步骤S3；
若误差E的绝对值小于等于误差阈值，执行步骤S4；
S3：所述天线伺服系统的位置环采用所述变增益控制算法进行天线位置调整；
S4：所述天线伺服系统的位置环采用稳定跟踪控制算法对天线位置稳定跟踪；
所述误差阈值的确定方法包括：
所述天线伺服系统的位置环采用所述稳定跟踪控制算法，对天线进行阶跃测试，得到阶跃幅值结果集，在所述阶跃幅值结果集中选出最大的震荡次数不超过1.5次的阶跃幅值并将其作为阈值上限；
所述天线伺服系统的位置环采用纯比例控制算法，对天线进行阶跃测试，得到位置环稳定的最大纯比例增益Kpmax，将
Figure FDA0003705703270000013
作为阈值下限，其中，Kpmax为最大纯比例增益，amax为所述天线伺服系统能达到的最大加速度；
所述变增益控制算法包括：
当误差E大于等于零时，设定所述变增益控制算法的目标速度为
Figure FDA0003705703270000011
当误差E小于零时，设定所述变增益控制算法的目标速度为
Figure FDA0003705703270000012
其中fabs(E)为误差E的绝对值；
所述误差E为当前位置到指令位置的角度差。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述误差阈值大于所述阈值下限并且小于所述阈值上限。
3.一种用于实现权利要求1-2任一项方法的天线伺服调转控制系统，其特征在于，包括：
天线；
天线监测模块，用于获取天线的当前位置和角度信息并传送至天线伺服控制模块；
天线伺服控制模块，用于判断天线的位置状态，计算得到误差阈值并根据实际误差值和所述误差阈值的大小关系确定对天线进行误差补偿的控制算法；
所述误差阈值的确定方法包括：
所述天线伺服系统的位置环采用所述稳定跟踪控制算法，对天线进行阶跃测试，得到阶跃幅值结果集，在所述阶跃幅值结果集中选出最大的震荡次数不超过1.5次的阶跃幅值并将其作为阈值上限；
所述天线伺服系统的位置环采用纯比例控制算法，对天线进行阶跃测试，得到位置环稳定的最大纯比例增益Kpmax，将
Figure FDA0003705703270000023
作为阈值下限，其中，Kpmax为最大纯比例增益，amax为所述天线伺服系统能达到的最大加速度；
所述变增益控制算法包括：
当误差E大于等于零时，设定所述变增益控制算法的目标速度为
Figure FDA0003705703270000021
当误差E小于零时，设定所述变增益控制算法的目标速度为
Figure FDA0003705703270000022
其中fabs(E)为误差E的绝对值。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，
所述控制算法包括：变增益控制算法和稳定跟踪控制算法。
5.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，
当所述误差的绝对值小于等于所述误差阈值时，所述天线伺服控制模块利用所述稳定跟踪控制算法对所述天线进行误差补偿；当所述误差的绝对值大于所述误差阈值时，所述天线伺服控制模块利用所述变增益控制算法对所述天线进行误差补偿。
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