CN112666917B - 导引头控制系统自动频域辨识及动态特性评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导引头控制系统自动频域辨识方法。本发明首先生成频率扫描信号，并作为主令注入控制系统，根据控制系统反馈的陀螺数据获得幅‑频曲线和相‑频曲线，实现控制系统频域的自动识别。本发明能够使得导引头控制系统进行频域辨识时不受测试设备和测试环境的约束，同时能降低导引头电气系统的设计难度，提高电气可靠性，并且能够简化导引头控制系统硬件电路的设计，减少电路板数量，且不再受模/数和数/模芯片精度的影响，更有利于实现系统的小型化，顺应武器系统发展方向。

Description

导引头控制系统自动频域辨识及动态特性评价方法
技术领域
本发明涉及导引头控制系统性能评价技术领域，具体涉及一种导引头控制系统自动频域辨识、动态特性及稳定性能评价方法。
背景技术
导引头控制系统在进行控制性能评价及进一步调整参数以完成设计校正时，常常需要使用频域分析法。频域分析法是研究控制系统的一种经典方法，是在频域范围内评价系统性能的一种工程方法。
在导引头控制系统设计时，其控制模型往往是仿真建立的，最终需要通过频域分析来验证控制系统仿真模型的正确性，再依据辨识结果不断进行设计校正以达到最优设计。在对导引头控制系统进行频域分析时，通常需要使用频响仪来测试其控制系统的频响特性，对导引头伺服稳定裕度进行评价，通过频响特性测试结果，能够很方便地显示出控制系统参数设计的合理性，并可以进一步指明如何设计校正。
频响仪作为一种测量被测系统频域特性的仪器，它为了满足各类系统的使用，接口较为复杂，自身重量和体积都较大，使用前的相关设置流程也较为繁琐，需要对操作人员进行相关培训，同时，频响仪日常需使用维护、定期进行检验及标校，基于上述原因，频响仪都在实验室条件下使用。在使用频响仪对导引头控制系统进行频域测试与分析时，经设置后频响仪输出的是变频正弦激励信号，此模拟信号接入导引头控制系统硬件电路后需先进行模/数转换，转换后的数字量将作为主令注入控制系统回路，因此，需额外增加电路板实现模拟/数字转换，电路用于将频响仪接入的模拟量信号转换为数字信号。主令经过导引头控制系统回路驱动电机转动，控制系统时刻采集角速率陀螺数值接回给频响仪，因此也需要额外增加电路板实现数字/模拟转换，电路用于将角速率陀螺数值转换为模拟量在输出给频响仪。同时，为了用于与频响仪测试时输入、输出信号的连接，在进行导引头电气系统设计时，需实现将对接信号接口可靠地外引到导引头外部，这增加了导引头电气系统设计的复杂性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种导引头控制系统自动频域辨识方法，能够使得导引头控制系统进行频域辨识时不受测试设备和测试环境的约束，同时能降低导引头电气系统的设计难度，提高电气可靠性，并且能够简化导引头控制系统硬件电路的设计，减少电路板数量，且不再受模/数和数/模芯片精度的影响，更有利于实现系统的小型化，顺应武器系统发展方向。
本发明的导引头控制系统自动频域辨识方法，导引头控制系统生成频率扫描信号，将频率扫描信号作为主令注入控制系统回路；
其中，频率扫描信号由下式生成：
uscan＝Asin2πft
其中，t是中断时间；A是频率扫描信号的振幅，为1°/s～20°/s；f是扫描频率，为1Hz～100Hz；频率步长在扫描频率f低频下取值较密，随扫描频率f增大而逐渐变得疏松；
导引头控制系统采集控制系统反馈回路的陀螺数据，结合陀螺数据和频率扫描信号生成幅-频曲线和相-频曲线；
根据幅-频和相-频曲线获得控制系统的幅值裕度、相角裕度及稳定回路带宽。
较优的，振幅A取6°/s。
较优的，频率步长为：
较优的，幅-频曲线生成方法如下：首先计算频率和幅度的对应关系：
其中，Ascan(fi)为在扫描频率fi时生成的频率扫描uscan的幅值，Agyro(fi)为陀螺数据曲线在扫描频率fi时的幅值；
根据每一个扫描频率f对应的幅度值mag，拟合出幅-频曲线。
较优的，相-频曲线生成方法如下：首先计算频率和相角的对应关系：
pha＝-180+Δ(fi)
其中，Δ(fi)为在扫描频率fi时生成的频率扫描uscan和陀螺数据曲线在扫描频率fi时的相位差；
根据每一个扫描频率f对应的相位值pha，拟合出相-频曲线。
本发明还提供了一种导引头控制系统动态特性自动评价方法，采用上述导引头控制系统自动频域辨识方法辨识出控制系统的幅值裕度、相角裕度及稳定回路带宽；根据所述幅值裕度、相角裕度及稳定回路带宽对控制系统动态特性进行评价。
本发明还提供了一种导引头控制系统稳态性能自动评价方法，采用上述导引头控制系统自动频域辨识方法辨识出控制系统的幅值裕度、相角裕度及稳定回路带宽；根据所述幅值裕度、相角裕度及稳定回路带宽对控制系统稳态性能进行评价。
有益效果：
(1)本发明不需借助外部设备(频响仪)，即可完成导引头控制系统自动频域辨识，操作和设置方式更为简便，通用化好，不受设备约束，不受实验室条件制约；
(2)因不需预留连接频响仪的外部接口，所以导引头电气系统设计更为简单，同时，导引头控制系统硬件电路设计时可以简化掉此部分功能电路，可以减少电路板数量，更利于硬件系统实现小型化，可靠性指标也更高；
(3)减少导引头控制系统硬件电路中模/数和数/模电路后，不再受模/数和数/模芯片精度的影响，可以减少误差环节，提高精度；
(4)可以通过改变频率步长的设置，比如设置某一频段内较密集的取值，方便地对控制系统较关注的频段进行着重分析。
附图说明
图1是本发明自动频域辨识方法的流程图；
图2是生成的扫描信号；
图3是扫描频率为fi时生成频率扫描及采集陀螺数据曲线；
图4是控制系统幅-频和相-频曲线。
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。
本发明提供了一种导引头控制系统自动频域辨识方法，流程图如图1所示，其识别过程包括以下几个关键步骤：生成频率扫描作为输入；作为主令注入控制系统回路，同时进入数据采集；采集主令及控制系统输出的角速度传感器数据；计算及频谱分析；输出结果。
1)生成频率扫描
生成频率扫描需要设计一种最优输入，获得最优输入的意图是能够在最短的时间内从给定的系统中获得最大的相关信息，本发明所述的自动频域辨识方法中的最优输入为扫频，这种输入在关注的频率范围内能够提供一个相当均匀的谱激励，对不确定性具有鲁棒性。
频率扫描由下面的公式生成：
uscan＝Asin2πft
其中，A是频率扫描信号的振幅，f为扫描频率。根据导引头控制系统设计和调试的经验，扫描信号幅值一般可选为1°/s～20°/s，本实施例中，控制系统程序内将A初始化设置为6°/s；f为扫描频率，幅相频曲线在扩展低频范围是有利的，在进行控制系统分析时，低频下取值较密，横坐标的频率f随数值增大而逐渐变得疏松，同样，根据导引头控制系统设计和调试的经验，控制系统程序内可将f初始化取值范围为设为1Hz～100Hz，频率步长初始设置如下：
t为中断时间。A、f、Δf的取值可从操控调试软件界面对其进行设置。初始化设置的值可以满足大部分导引头控制系统的频域分析需求，不需在测试前进行参数设置，通用化较好。如需要着重分析某一频段的性能，可由操控软件方便地进行设置的更改，测试时程序内优先使用外部设置值。
每个扫描频率下，生成两个周期的频率扫描曲线。生成的扫描信号如图2所示。
2)频率扫描生成后作为主令注入控制系统回路，伺服机构响应做扫描动作。数据采集模块记录生成的频率扫描数据和控制系统反馈回路的陀螺数据。
3)计算及频谱分析模块将频率扫描数据和陀螺数据进行整合计算，生成幅-频和相-频曲线。
幅-频曲线的横坐标为频率，纵坐标为幅度，频率和幅度的对应关系通过如下公式进行计算：
其中，Ascan(fi)为在扫描频率fi时生成的频率扫描uscan的幅值，Agyro(fi)为在扫描频率fi时生成的频率扫描uscan作为主令输入时数据采集模块采集到的控制系统做扫描动作下的陀螺数据曲线的幅值。每一个扫描频率f都可以对应计算出一个幅度值mag(dB)，最终可以拟合出一条幅-频曲线。
相-频曲线的横坐标为频率，纵坐标为相角，频率和相角的对应关系通过如下公式进行计算：
pha＝-180+Δ(fi)
其中，Δ(fi)为在扫描频率fi时生成的频率扫描uscan和在此频率扫描作为主令输入时数据采集模块采集到的控制系统做扫描动作下的陀螺数据曲线的相位差。每一个扫描频率f都可以对应计算出一个相位值pha(°)，最终可以拟合出一条相-频曲线。
如图3所示为扫描频率为fi时生成频率扫描及采集陀螺数据曲线，其中，Ascan(fi)为在扫描频率fi时生成的频率扫描uscan的幅值，Agyro(fi)为在扫描频率fi时生成的频率扫描uscan作为主令输入时数据采集模块采集到的控制系统做扫描动作下的陀螺数据曲线的幅值。每一个扫描频率f都可以对应计算出一个幅度值mag(dB)，最终可以拟合出一条幅-频曲线。
图3中Δ(fi)为在扫描频率fi时生成的频率扫描uscan和在此频率扫描作为主令输入时数据采集模块采集到的控制系统做扫描动作下的陀螺数据曲线的相位差。每一个扫描频率f都可以对应计算出一个相位值pha(°)，最终可以拟合出一条相-频曲线。
4)分析控制系统动态特性及稳态性能
根据幅-频和相-频曲线能够得出控制系统的幅值裕度、相角裕度及稳定回路带宽等，以此来评价系统的动态特性及稳态性能。同时，输出结果到操控调试软件界面，根据输出结果，判断是否需要对控制系统参数进行调整。
图3为扫描频率为fi时生成频率扫描及采集陀螺数据曲线，从中可获取当前以fi为扫描频率时Ascan(fi)、Agyro(fi)、Δ(fi)的值。
以图4所示幅-频和相-频曲线为例，可知系统幅值裕度为9.87dB，稳定回路带宽为30.6Hz，相角裕度为55°。
5)输出结果；
将控制系统性能指标输出到操控调试软件界面，根据输出结果，判断是否需要对控制系统参数进行调整。
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 (5)

1.一种导引头控制系统自动频域辨识方法，其特征在于，导引头控制系统生成频率扫描信号，将频率扫描信号作为主令注入控制系统回路；
其中，频率扫描信号由下式生成：
uscan＝Asin2πft
其中，t是中断时间；A是频率扫描信号的振幅，为1°/s～20°/s；f是扫描频率，为1Hz～100Hz；频率步长在扫描频率f低频下取值较密，随扫描频率f增大而逐渐变得疏松；
导引头控制系统采集控制系统反馈回路的陀螺数据，结合陀螺数据和频率扫描信号生成幅-频曲线和相-频曲线；
幅-频曲线生成方法如下：首先计算频率和幅度的对应关系：
其中，Ascan(fi)为在扫描频率fi时生成的频率扫描uscan的幅值，Agyro(fi)为陀螺数据曲线在扫描频率fi时的幅值；
根据每一个扫描频率f对应的幅度值mag，拟合出幅-频曲线；
相-频曲线生成方法如下：首先计算频率和相角的对应关系：
pha＝-180+Δ(fi)
其中，Δ(fi)为在扫描频率fi时生成的频率扫描uscan和陀螺数据曲线在扫描频率fi时的相位差；
根据每一个扫描频率f对应的相位值pha，拟合出相-频曲线；
根据幅-频和相-频曲线获得控制系统的幅值裕度、相角裕度及稳定回路带宽。
2.如权利要求1所述的导引头控制系统自动频域辨识方法，其特征在于，振幅A取6°/s。
3.如权利要求1所述的导引头控制系统自动频域辨识方法，其特征在于，频率步长为：
4.一种导引头控制系统动态特性自动评价方法，其特征在于，采用如权利要求1～3任意一项所述的导引头控制系统自动频域辨识方法辨识出控制系统的幅值裕度、相角裕度及稳定回路带宽；根据所述幅值裕度、相角裕度及稳定回路带宽对控制系统动态特性进行评价。
5.一种导引头控制系统稳态性能自动评价方法，其特征在于，采用如权利要求1～3任意一项所述的导引头控制系统自动频域辨识方法辨识出控制系统的幅值裕度、相角裕度及稳定回路带宽；根据所述幅值裕度、相角裕度及稳定回路带宽对控制系统稳态性能进行评价。
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