CN113325699B - 一种适用于复合稳定控制系统的调参方法及系统 - Google Patents

一种适用于复合稳定控制系统的调参方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于复合稳定控制系统的调参方法及系统，包括以下步骤：步骤S1：将增稳回路和过载回路依次从舵控处断开分析复合稳定控制系统的开环特性，通过增稳回路、过载回路的开环参数设定值反解复合稳定控制系统的参数；步骤S2：采用粒子群算法对增稳回路、过载回路的开环参数进行优化设计。本发明提供的用于复合稳定控制系统的调参方法，是从复合稳定控制系统的开环指标出发，更有利于理解系统的稳定性。采用粒子群优化算法对增稳回路、过载回路的开环指标进行优化，并给出优化函数和边界约束的形式，为稳定控制系统设计提供了新思路。

Description

一种适用于复合稳定控制系统的调参方法及系统
技术领域
本发明涉及导弹控制系统设计领域，具体地，涉及一种适合复合稳定控制系统的调参方法及系统。
背景技术
复合稳定控制系统因其良好的性能广泛应用于导弹的控制系统设计中。在设计复合稳定控制系统时，通常可采用极点配置法结合频域设计法，通过选取时间常数、角频率、阻尼系数，配置系统极点对控制系统进行设计，该方法从系统的闭环指标出发，通过优化设计达到系统要求的指标，不利于理解系统的开环性能指标。采用经典优化法对复合稳定控制系统的参数进行优化时，一般需要在设计初值的基础上进行不断试凑调整，以满足控制系统的指标要求，工作量较大且十分繁琐。
在公开号为CN108120348A的中国发明专利申请文件中，公开了一种防空导弹的复合控制系统，根据导弹的轴对称性，以俯仰通道为研究对象，基于前馈-反馈回路设计策略，利用气动舵构筑攻角反馈飞行控制系统，由控制指令形成攻角指令；以直接力为基础构造法向过载反馈控制，直接力控制回路采用模糊PD控制器进行参数优化。该复合控制系统可以很好地满足快速响应和攻击大机动目标的要求，通过对模糊控制器的三个加权系数的调节，可以保证控制系统的响应速度快，超调量小，且能达到稳态，并且具有较好的鲁棒性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于复合稳定控制系统的调参方法及系统。
根据本发明提供的一种适用于复合稳定控制系统的调参方法，包括以下步骤：
步骤S1：将增稳回路和过载回路依次从舵控处断开分析复合稳定控制系统的开环特性，通过增稳回路、过载回路的开环参数设定值反解复合稳定控制系统的参数；
步骤S2：采用粒子群算法对增稳回路、过载回路的开环参数进行优化设计。
优选的，所述步骤S1中，利用增稳回路截止频率、过载回路截止频率、过载回路相位裕度的设定值，通过方程联立反解得出需要设计的参数：
Figure BDA0003083344890000021
Figure BDA0003083344890000022
Figure BDA0003083344890000023
式中,ksf、kg、ki—复合稳定控制系统参数，ωcn为增稳回路截止频率设定值，ωcw为过载回路截止频率设定值，γ为过载回路相位裕度设定值，km为弹体开环传递系数，Tqd为导弹气动时间常数，kgy、kacc为角速度陀螺、加速度计环节，kdj为舵系统环节；x1、x2、x3的形式为
Figure BDA0003083344890000024
Figure BDA0003083344890000025
Figure BDA0003083344890000026
式中，T为导弹时间常数；ε为导弹的相对阻尼系数；
根据ksf＞0,kgki＞0,ki＞0从两组参数中选择合适的根。
优选的，所述步骤S2中，采用粒子群算法对增稳回路截止频率ωcn、过载回路截止频率ωcw、过载回路相位裕度γ进行寻优设计：
Figure BDA0003083344890000027
Figure BDA0003083344890000028
式中，
Figure BDA0003083344890000029
表示第k代种群中第i粒子的优化参数值，
Figure BDA00030833448900000210
表示第k代种群中第i粒子的优化参数值调整速度值，ω为惯性权重值，
Figure BDA00030833448900000211
表示第k代种群中第i粒子局部最优值，
Figure BDA00030833448900000212
表示全局最优值，c1和c2为非负的加速度常数因子；
确定目标函数变量以及边界约束，然后开展寻优设计。
优选的，所述确定目标函数变量包括：选取最大舵偏值δmax和闭环系统上升时间tr作为目标函数的变量，并进行归一化处理，目标函数形式为
Figure BDA0003083344890000031
式中，ω1、ω2为目标函数权重值，
Figure BDA0003083344890000032
和
Figure BDA0003083344890000033
分别为归一化处理后的最大舵偏值和闭环系统上升时间，其具体形式：
Figure BDA0003083344890000034
Figure BDA0003083344890000035
式中，δ1max、δ1min、tmin、tmax为归一化处理的参数变量。
优选的，所述确定边界约束包括：边界约束的形式为
Figure BDA0003083344890000036
式中，δ0为最大舵偏角约束值，γmin和γmax系统相位裕度最小约束值和最大约束值，h为系统幅值裕度，hmin为系统幅值裕度最小约束值，ωcnmin和ωcnmax增稳回路截止频率最小约束值和最大约束值，ωnwmin和ωnwmax过载回路截止频率最小约束值和最大约束值，σ为系统超调值，σmax为系统超调值最大约束值，N为系统振荡次数，Nmax为系统振荡次数最大约束值，tr为系统上升时间，trmax为系统上升时间最大约束值。
根据本发明提供的一种适用于复合稳定控制系统的调参系统，包括以下模块：
模块M1：将增稳回路和过载回路依次从舵控处断开分析复合稳定控制系统的开环特性，通过增稳回路、过载回路的开环参数设定值反解复合稳定控制系统的参数；
模块M2：采用粒子群算法对增稳回路、过载回路的开环参数进行优化设计。
优选的，所述步骤M1中，利用增稳回路截止频率、过载回路截止频率、过载回路相位裕度的设定值，通过方程联立反解得出需要设计的参数：
Figure BDA0003083344890000041
Figure BDA0003083344890000042
Figure BDA0003083344890000043
式中,ksf、kg、ki—复合稳定控制系统参数，ωcn为增稳回路截止频率设定值，ωcw为过载回路截止频率设定值，γ为过载回路相位裕度设定值，km为弹体开环传递系数，Tqd为导弹气动时间常数，kgy、kacc为角速度陀螺、加速度计环节，kdj为舵系统环节；x1、x2、x3的形式为
Figure BDA0003083344890000044
Figure BDA0003083344890000045
Figure BDA0003083344890000046
式中，T为导弹时间常数；ε为导弹的相对阻尼系数；
根据ksf＞0,kgki＞0,ki＞0从两组参数中选择合适的根。
优选的，所述模块M2中，采用粒子群算法对增稳回路截止频率ωcn、过载回路截止频率ωcw、过载回路相位裕度γ进行寻优设计：
Figure BDA0003083344890000047
Figure BDA0003083344890000048
式中，
Figure BDA0003083344890000049
表示第k代种群中第i粒子的优化参数值，
Figure BDA00030833448900000410
表示第k代种群中第i粒子的优化参数值调整速度值，ω为惯性权重值，
Figure BDA00030833448900000411
表示第k代种群中第i粒子局部最优值，
Figure BDA00030833448900000412
表示全局最优值，c1和c2为非负的加速度常数因子；
确定目标函数变量以及边界约束，然后开展寻优设计。
优选的，所述确定目标函数变量包括：选取最大舵偏值δmax和闭环系统上升时间tr作为目标函数的变量，并进行归一化处理，目标函数形式为
Figure BDA0003083344890000051
式中，ω1、ω2为目标函数权重值，
Figure BDA0003083344890000052
和
Figure BDA0003083344890000053
分别为归一化处理后的最大舵偏值和闭环系统上升时间，其具体形式：
Figure BDA0003083344890000054
Figure BDA0003083344890000055
式中，δ1max、δ1min、tmin、tmax为归一化处理的参数变量。
优选的，所述确定边界约束包括：边界约束的形式为
Figure BDA0003083344890000056
式中，δ0为最大舵偏角约束值，γmin和γmax系统相位裕度最小约束值和最大约束值，h为系统幅值裕度，hmin为系统幅值裕度最小约束值，ωcnmin和ωcnmax增稳回路截止频率最小约束值和最大约束值，ωnwmin和ωnwmax过载回路截止频率最小约束值和最大约束值，σ为系统超调值，σmax为系统超调值最大约束值，N为系统振荡次数，Nmax为系统振荡次数最大约束值，tr为系统上升时间，trmax为系统上升时间最大约束值。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的用于复合稳定控制系统的调参方法，是从复合稳定控制系统的开环指标出发，更有利于理解系统的稳定性。
2、采用粒子群优化算法对增稳回路、过载回路的开环指标进行优化，并给出优化函数和边界约束的形式，为稳定控制系统设计提供了新思路。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请实施例一种适用于复合稳定控制系统的调参方法及系统的复合稳定控制系统框图；
图2为本申请实施例2一种适用于复合稳定控制系统的调参方法及系统的粒子群算法的迭代过程收敛情况图；
图3为本申请实施例2一种适用于复合稳定控制系统的调参方法及系统优化后的系统开环伯德图；
图4为本申请实施例2一种适用于复合稳定控制系统的调参方法及系统优化后的系统阶跃响应曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
根据本发明提供的一种适用于复合稳定控制系统的调参方法，包括：
通过增稳回路、过载回路的开环参数设定值反解复合稳定控制系统的参数；采用粒子群算法对增稳回路、过载回路的开环参数进行优化设计。
利用增稳回路截止频率、过载回路截止频率、过载回路相位裕度的设定值，通过方程联立求解复合稳定控制系统的参数。将增稳回路和过载回路依次从舵控处断开分析复合稳定控制系统的开环特性。增稳回路开环传递函数为
Figure BDA0003083344890000061
式中，ksf、kg、ki—复合稳定控制系统参数，km为弹体开环传递系数，Tqd为导弹气动时间常数，T为导弹时间常，ε为导弹的相对阻尼系数，kgy、kacc为角速度陀螺、加速度计环节，kdj为舵系统环节。角速度陀螺、加速度计、舵系统的带宽一般都远大于自动驾驶仪的带宽，因此设计分析时，角速度陀螺、加速度计、舵系统环节都可以简化为比例系数。
增稳回路的开环截止频率设为ωcn，于是有
|HGn(jωcn)|＝1 (2)
可求得
Figure BDA0003083344890000071
取
Figure BDA0003083344890000072
即有
Figure BDA0003083344890000073
过载回路开环传递函数为
Figure BDA0003083344890000074
过载回路系统传输比为1，可求得
Figure BDA0003083344890000075
将式(7)代入式(6)可得
Figure BDA0003083344890000076
过载回路的开环截止频率设为ωcw，即
|GHw(jωcw)|＝1 (9)
即有
Figure BDA0003083344890000077
过载回路的相位裕度为
Figure BDA0003083344890000078
即有
Figure BDA0003083344890000081
设定过载回路相位裕度γ的值后，即可求出
Figure BDA0003083344890000082
于是有
Figure BDA0003083344890000083
联立(10)和(14)式可得
Figure BDA0003083344890000084
Figure BDA0003083344890000085
取
Figure BDA0003083344890000086
于是有
ksfkgy+kgkgykiTqd＝x2 (18)
联立(15)、(16)和(18)式可得
Figure BDA0003083344890000087
联立(5)和(18)可得
Figure BDA0003083344890000088
求解方程(20)可得
Figure BDA0003083344890000091
由(18)和(19)式得
Figure BDA0003083344890000092
根据ksf＞0,kgki＞0,ki＞0从两组参数中选择合适的根。
采用粒子群优化算法进行对增稳回路截止频率ωcn、过载回路截止频率ωcw、过载回路相位裕度γ进行参数寻优：
Figure BDA0003083344890000093
Figure BDA0003083344890000094
式中，
Figure BDA0003083344890000095
表示第k代种群中第i粒子的优化参数值，
Figure BDA0003083344890000096
表示第k代种群中第i粒子的优化参数值调整速度值，ω为惯性权重值，
Figure BDA0003083344890000097
表示第k代种群中第i粒子局部最优值，
Figure BDA0003083344890000098
表示全局最优值，c1和c2为非负的加速度常数因子。
选取最大舵偏值δmax和闭环系统上升时间tr作为目标函数的变量，并进行归一化处理，目标函数形式为
Figure BDA0003083344890000099
式中，ω1、ω2为目标函数权重值，
Figure BDA00030833448900000910
和
Figure BDA00030833448900000911
分别为归一化处理后的最大舵偏值和闭环系统上升时间，其具体形式：
Figure BDA00030833448900000912
Figure BDA00030833448900000913
式中，δ1max、δ1min、tmin、tmax为归一化处理的参数变量。
优化的边界约束选取为
Figure BDA0003083344890000101
式中，δ0为最大舵偏角约束值，γmin和γmax系统相位裕度最小约束值和最大约束值，h为系统幅值裕度，hmin为系统幅值裕度最小约束值，ωcnmin和ωcnmax增稳回路截止频率最小约束值和最大约束值，ωnwmin和ωnwmax过载回路截止频率最小约束值和最大约束值，σ为系统超调值，σmax为系统超调值最大约束值，N为系统振荡次数，Nmax为系统振荡次数最大约束值，tr为系统上升时间，trmax为系统上升时间最大约束值。
实施例2：
本实施例为实施例1的优选例。
本实例以某型防空导弹某特征点的控制系统设计为例。
(1)如图1，复合稳定控制系统由阻尼回路、增稳回路、过载回路三个回路组成，阻尼回路用于增加系统阻尼，增稳回路用于改善系统的稳定性和快速性，过载回路用于实现复合稳定控制系统的闭环。该型导弹为正常式布局，kdj＝-1，kgy＝1，kacc＝1。弹体传递函数为
Figure BDA0003083344890000102
气动时间常数为Tqd＝0.7566，速度为V＝542.3m/s，弹体处于静稳定状态。
(2)选取最大舵偏值和系统上升时间归一化的参数变量值
Figure BDA0003083344890000103
Figure BDA0003083344890000104
权重系数取为
ω1＝2.0
ω2＝0.5
选取优化变量的边界约束，具体如下
Figure BDA0003083344890000111
(3)选取粒子群算法的种群个数为30，最大迭代代数为100。最大权重ωmax、最小权重ωmin、学习因子c1、c2取值如下
ωmax＝0.9
ωmin＝0.4
c1＝c2＝1.2
惯性权重为
Figure BDA0003083344890000112
式中，t为运行代数，tmax为最大迭代代数。
采用以上参数得到的优化过程如图2所示，图3为优化后的系统开环伯德图，图4优化后的系统阶跃响应曲线。优化结果为
ωcn＝6.5785
ωcw＝6.2208
γ＝61.4756
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种适用于复合稳定控制系统的调参方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将增稳回路和过载回路依次从舵控处断开分析复合稳定控制系统的开环特性，通过增稳回路、过载回路的开环参数设定值反解复合稳定控制系统的参数；
步骤S2：采用粒子群算法对增稳回路、过载回路的开环参数进行优化设计；
所述步骤S1中，利用增稳回路截止频率、过载回路截止频率、过载回路相位裕度的设定值，通过方程联立反解得出需要设计的参数：
Figure FDA0003606513490000011
Figure FDA0003606513490000012
Figure FDA0003606513490000013
式中,ksf、kg、ki—复合稳定控制系统参数，ωcn为增稳回路截止频率设定值，ωcw为过载回路截止频率设定值，γ为过载回路相位裕度设定值，km为弹体开环传递系数，Tqd为导弹气动时间常数，kgy为角速度陀螺环节，kacc为加速度计环节，kdj为舵系统环节；x1、x2、x3的形式为
Figure FDA0003606513490000014
Figure FDA0003606513490000015
Figure FDA0003606513490000016
式中，T为导弹时间常数；ε为导弹的相对阻尼系数；
根据ksf＞0,kgki＞0,ki＞0从两组参数中选择合适的根。
2.根据权利要求1所述的一种适用于复合稳定控制系统的调参方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用粒子群算法对增稳回路截止频率ωcn、过载回路截止频率ωcw、过载回路相位裕度γ进行寻优设计：
Figure FDA0003606513490000021
Figure FDA0003606513490000022
式中，
Figure FDA0003606513490000023
表示第k代种群中第i粒子的优化参数值，
Figure FDA0003606513490000024
表示第k代种群中第i粒子的优化参数值调整速度值，ω为惯性权重值，
Figure FDA0003606513490000025
表示第k代种群中第i粒子局部最优值，
Figure FDA0003606513490000026
表示全局最优值，c1和c2为非负的加速度常数因子；
确定目标函数变量以及边界约束，然后开展寻优设计。
3.根据权利要求2所述的一种适用于复合稳定控制系统的调参方法，其特征在于：所述确定目标函数变量包括：选取最大舵偏值δmax和闭环系统上升时间tr作为目标函数的变量，并进行归一化处理，目标函数形式为
Figure FDA0003606513490000027
式中，ω1、ω2为目标函数权重值，
Figure FDA0003606513490000028
和
Figure FDA0003606513490000029
分别为归一化处理后的最大舵偏值和闭环系统上升时间，其具体形式：
Figure FDA00036065134900000210
Figure FDA00036065134900000211
式中，δ1max、δ1min、tmin、tmax为归一化处理的参数变量。
4.根据权利要求2所述的一种适用于复合稳定控制系统的调参方法，其特征在于：所述确定边界约束包括：边界约束的形式为
Figure FDA00036065134900000212
式中，δ0为最大舵偏角约束值，γmin和γmax系统相位裕度最小约束值和最大约束值，h为系统幅值裕度，hmin为系统幅值裕度最小约束值，ωcnmin和ωcnmax为增稳回路截止频率最小约束值和最大约束值，ωnwmin和ωnwmax为过载回路截止频率最小约束值和最大约束值，σ为系统超调值，σmax为系统超调值最大约束值，N为系统振荡次数，Nmax为系统振荡次数最大约束值，tr为系统上升时间，trmax为系统上升时间最大约束值。
5.一种适用于复合稳定控制系统的调参系统，其特征在于，包括以下模块：
模块M1：将增稳回路和过载回路依次从舵控处断开分析复合稳定控制系统的开环特性，通过增稳回路、过载回路的开环参数设定值反解复合稳定控制系统的参数；
模块M2：采用粒子群算法对增稳回路、过载回路的开环参数进行优化设计；
所述模块M1中，利用增稳回路截止频率、过载回路截止频率、过载回路相位裕度的设定值，通过方程联立反解得出需要设计的参数：
Figure FDA0003606513490000031
Figure FDA0003606513490000032
Figure FDA0003606513490000033
式中,ksf、kg、ki—复合稳定控制系统参数，ωcn为增稳回路截止频率设定值，ωcw为过载回路截止频率设定值，γ为过载回路相位裕度设定值，km为弹体开环传递系数，Tqd为导弹气动时间常数，kgy、kacc为角速度陀螺、加速度计环节，kdj为舵系统环节；x1、x2、x3的形式为
Figure FDA0003606513490000034
Figure FDA0003606513490000035
Figure FDA0003606513490000036
式中，T为导弹时间常数；ε为导弹的相对阻尼系数；
根据ksf＞0,kgki＞0,ki＞0从两组参数中选择合适的根。
6.根据权利要求5所述的一种适用于复合稳定控制系统的调参系统，其特征在于：所述模块M2中，采用粒子群算法对增稳回路截止频率ωcn、过载回路截止频率ωcw、过载回路相位裕度γ进行寻优设计：
Figure FDA0003606513490000041
Figure FDA0003606513490000042
式中，
Figure FDA0003606513490000043
表示第k代种群中第i粒子的优化参数值，
Figure FDA0003606513490000044
表示第k代种群中第i粒子的优化参数值调整速度值，ω为惯性权重值，
Figure FDA0003606513490000045
表示第k代种群中第i粒子局部最优值，
Figure FDA0003606513490000046
表示全局最优值，c1和c2为非负的加速度常数因子；
确定目标函数变量以及边界约束，然后开展寻优设计。
7.根据权利要求6所述的一种适用于复合稳定控制系统的调参系统，其特征在于：所述确定目标函数变量包括：选取最大舵偏值δmax和闭环系统上升时间tr作为目标函数的变量，并进行归一化处理，目标函数形式为
Figure FDA0003606513490000047
式中，ω1、ω2为目标函数权重值，
Figure FDA0003606513490000048
和
Figure FDA0003606513490000049
分别为归一化处理后的最大舵偏值和闭环系统上升时间，其具体形式：
Figure FDA00036065134900000410
Figure FDA00036065134900000411
式中，δ1max、δ1min、tmin、tmax为归一化处理的参数变量。
8.根据权利要求6所述的一种适用于复合稳定控制系统的调参系统，其特征在于：所述确定边界约束包括：边界约束的形式为
Figure FDA00036065134900000412
式中，δ0为最大舵偏角约束值，γmin和γmax系统相位裕度最小约束值和最大约束值，h为系统幅值裕度，hmin为系统幅值裕度最小约束值，ωcnmin和ωcnmax为增稳回路截止频率最小约束值和最大约束值，ωnwmin和ωnwmax为过载回路截止频率最小约束值和最大约束值，σ为系统超调值，σmax为系统超调值最大约束值，N为系统振荡次数，Nmax为系统振荡次数，tr为系统上升时间，trmax为系统上升时间最大约束值。
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