CN112666986A - 一种天线伺服轨迹规划方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线伺服轨迹规划方法和系统，所述方法包括：S1：在天线调转过程中，天线伺服系统接收到天线的指令位置和当前位置，根据二者的误差值，使得位置环采用不同的控制算法进行天线位置校正；S2：对位置环校正的目标速度的变化率按照加速度阈值进行限制；S3：对所述位置环校正的目标速度的大小按照速度阈值进行限制。

Description

一种天线伺服轨迹规划方法和系统

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轨迹规划方法和系统。

背景技术

伺服系统在使用过程中往往需要对运动轨迹的速度、加速度加以限制。在调转过程中，一般希望伺服系统能从当前位置开始，以设定加速度加速到设定速度，以设定速度运动一段路程后再以设定加速度减速到零，减速到零时恰好能到达终点位置。

传统轨迹规划的方法是，当发生调转的时候，伺服系统根据当前位置和终点位置之间的误差，根据设定的速度、加速度规划出一条的平滑位置时间序列。平滑位置时间序列的产生可以使用梯形加减速算法、S曲线算法或者是跟踪微分器算法。可以做到多阶可导，但是轨迹规划计算量大，算法相对复杂，需要判断何时进行轨迹规划初始化、何时进行加速匀速减速段的切换，还需要一系列的全局或静态变量。总体来说，轨迹规划控制效果较好，但程序开销成本较大，容易出错。

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轨迹规划方法，具体步骤为：

S1：在天线调转过程中，天线伺服系统根据误差使得位置环采用不同的控制算法进行天线位置校正；

S2：对位置环校正的目标速度的变化率按照加速度阈值进行限制；

S3：对所述位置环校正的目标速度的大小按照速度阈值进行限制。

所述S1具体包括：

所述天线伺服系统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；

若误差的绝对值大于误差阈值，执行步骤S101；

若误差的绝对值小于等于误差阈值，执行步骤S102；

S101：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；

S102：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。

所述误差指所述天线的当前位置到指令位置的角度差。

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所述纯比例控制算法，对天线进行阶跃测试，得到位置环稳定的最大纯比例增益Kp_max，将

作为阈值下限，其中，Kp_max为最大纯比例增益，a_max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S2具体包括：

所述天线伺服系统的位置环根据控制算法计算得到当前周期的目标速度V_n+1，当V_n+1-V_n>a_max*Ts时，令V_n+1＝V_n+a_max*Ts；当V_n+1-V_n<-a_max*Ts时,令V_n+1＝V_n-a_max*Ts；

其中，V_n为前一周期的目标速度，Ts为周期时长，n为自然数。

所述S3具体包括，

所述天线伺服系统设置有稳态速度V_dest，所述天线伺服系统根据控制算法计算得到的目标速度V_n+1，当所述目标速度V_n+1大于稳态速度V_dest时，令所述目标速度V_n+1＝V_dest；当所述目标速度V_n+1小于-V_dest时，令所述目标速度V_n+1＝-V_dest。

本发明的另一个目的在于提供一种天线伺服轨迹规划系统，具体包括：

天线；

天线监测模块，用于监测所述天线的角度信息和速度信息；

天线伺服控制模块，用于获取所述角度信息和速度信息并根据情况控制天线的运动。

所述天线伺服控制模块接收所述天线监测模块发送的所述天线的当前位置，计算所述当前位置和指令位置的角度差值作为误差值，根据所述误差值和误差阈值的关系使得位置环采用不同的控制算法进行天线位置校正。

若所述误差值的绝对值大于误差阈值，所述天线伺服控制模块采用所述变增益控制算法进行天线位置调整；

若所述误差值的绝对值小于等于误差阈值，采用稳定跟踪控制算法对天线位置稳定跟踪。

本发明的有益效果如下：

本发明不需要复杂的计算和状态切换，在位置闭环中自动实现匀加速匀减速运动，运动过程中的最大速度受控，算法简单可靠，易于实现。

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轨迹规划方法的示意图；

图2示出本发明一个实施例提出的一种天线伺服轨迹规划方法下天线180°调转位置的角度和速度变化曲线；

图3示出本发明一个实施例提出的一种天线伺服轨迹规划系统的模块图。

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轨迹规划方法，该方法包括：

S1：在天线调转过程中，天线伺服系统根据误差使得位置环采用不同的控制算法进行天线位置校正；

S2：对位置环校正的目标速度的变化率按照加速度阈值进行限制；

S3：对所述位置环校正的目标速度的大小按照速度阈值进行限制。

所述S1具体包括：

使用稳定跟踪算法进行阶跃测试，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；使用比例控制算法测试得到位置环稳定的最大纯比例增益Kp_max，

作为阈值下限，其中a_max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。

所述稳定跟踪算法包括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，

E<0时，

其中a_max为系统能达到的或者能承受的最大加速度。

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、PID和超前滞后控制算法。

在天线转动的过程中，所述系统会对位置环校正的目标速度的变化率按照加速度阈值a_max进行限制；

具体的，当V_n+1-V_n>a_max*Ts时，令V_n+1＝V_n+a_max*Ts，

当V_n+1-V_n<-a_max*Ts时，令V_n+1＝V_n-a_max*Ts；

其中，V_n+1为当前周期的目标速度，V_n为上一周期的目标速度，T_s为周期时长，a_max为系统允许的最大加速度。

系统会对所述位置环校正的目标速度的大小按照速度阈值V_dest进行限制

V_dest为调转过程中设定的稳态速度即速度的阈值，速度限制算法如下：

当V_n+1>V_dest时，令V_n+1＝V_dest；

当V_n+1<-V_dest时，令V_n+1＝-V_dest；

当速度和加速度在允许范围内时，按照系统分配的控制算法对目标速度V_n+1进行赋值。

将系统的指令位置直接置为终点位置后，天线将按照匀加速-匀速-匀减速的顺序到达终点位置

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，为该天线伺服系统中天线由360°至180°转动的速度和角度变化图，其中，图中的左侧坐标轴代表天线的转动速度(Vel)，右侧坐标轴代表天线的当前角度(Angle)，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V_n+1，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V_n+1一直为负，V_n+1满足以下条件：

如果fabs(V_n+1)>V_dest，则令V_obj＝-V_dest，其中a_max＝10°/s²，V_dest＝55°/s。

fabs(E)代表误差的绝对值，fabs(V_obj)指目标速度的绝对值；a_max为系统能达到的或者能承受的最大加速度；V_dest为系统的稳态速度；

系统的最大加速度和稳态速度可根据实际情况进行调整，并不限于以上举例。

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轨迹规划系统，其中，001为所述控制系统，该系统包括：

天线；

天线监测模块，用于监测所述天线的角度信息和速度信息；

天线伺服控制模块，用于获取所述角度信息和速度信息并根据情况控制天线的运动。

所述天线伺服控制模块接收所述天线监测模块发送的所述天线的当前位置，计算所述当前位置和指令位置的角度差值作为误差值，根据所述误差值和误差阈值的关系使得位置环采用不同的控制算法进行天线位置校正。

若所述误差值的绝对值大于误差阈值，所述天线伺服控制模块采用所述变增益控制算法进行天线位置调整；

若所述误差值的绝对值小于等于误差阈值，采用稳定跟踪控制算法对天线位置稳定跟踪。

Claims (9)

1.一种天线伺服轨迹规划方法，其特征在于，包括，

S1：在天线调转过程中，天线伺服系统根据误差使得位置环采用不同的控制算法进行天线位置校正；

S2：对位置环校正的目标速度的变化率按照加速度阈值进行限制；

S3：对所述位置环校正的目标速度的大小按照速度阈值进行限制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述S1具体包括：

所述天线伺服系统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；

若误差的绝对值大于误差阈值，执行步骤S101；

若误差的绝对值小于等于误差阈值，执行步骤S102；

S101：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；

S102：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。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述误差指所述天线的当前位置到指令位置的角度差。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

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所述纯比例控制算法，对天线进行阶跃测试，得到位置环稳定的最大纯比例增益Kp_max，将

作为阈值下限，其中，Kp_max为最大纯比例增益，a_max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。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述S2具体包括：

所述天线伺服系统的位置环根据控制算法计算得到当前周期的目标速度V_n+1，当V_n+1-V_n>a_max*Ts时，令V_n+1＝V_n+a_max*Ts；当V_n+1-V_n<-a_max*Ts时,令V_n+1＝V_n-a_max*Ts；

其中，V_n为前一周期的目标速度，Ts为周期时长，n为自然数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述S3具体包括，

所述天线伺服系统设置有稳态速度V_dest，所述天线伺服系统根据控制算法计算得到的目标速度V_n+1，当所述目标速度V_n+1大于稳态速度V_dest时，令所述目标速度V_n+1＝V_dest；当所述目标速度V_n+1小于-V_dest时，令所述目标速度V_n+1＝-V_dest。

7.一种用于实现权利要求1-6任一项的天线伺服轨迹规划系统，其特征在于，包括：

天线；

天线监测模块，用于监测所述天线的角度信息和速度信息；

天线伺服控制模块，用于获取所述角度信息和速度信息并根据情况控制天线的运动。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

所述天线伺服控制模块接收所述天线监测模块发送的所述天线的当前位置，计算所述当前位置和指令位置的角度差值作为误差值，根据所述误差值和误差阈值的关系使得位置环采用不同的控制算法进行天线位置校正。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

若所述误差值的绝对值大于误差阈值，所述天线伺服控制模块采用所述变增益控制算法进行天线位置调整；

若所述误差值的绝对值小于等于误差阈值，采用稳定跟踪控制算法对天线位置稳定跟踪。

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