CN114153235A - 一种基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，包括：1、计算伺服拒止平台的期望位置和实际位置之间的位置误差，定义为e；2、根据步骤1的计算结果进行判断，在|e|>|e0|、|e1|<|e|≤|e0|、|e2|<|e|≤|e1|、|e|≤|e2|四种情况下，对应采用四种不同的控制策略计算输出速度；其中，e0是电机的最高转速ω0和P控制器按对应控制策略计算的输出速度之间的切换点；e1是图像可识别的最大角度位置；e2是满足图像识别要求的最大速度ω1和PI控制器按对应控制策略计算的输出速度之间的切换点；3、将步骤2中计算得到的输出速度发送给驱动器，驱动器驱动电机以该输出速度旋转，以带动伺服拒止平台运动；4、实时测量伺服拒止平台运动的实际位置，并返回步骤1计算e，直至e达到预设的精度阈值，控制结束。

Description

一种基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法
技术领域
本发明涉及伺服拒止平台技术领域，具体涉及一种基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法。
背景技术
基于新的任务载荷的发展，对伺服拒止平台的运动调转性能需求也有所提升。具体表现在：1、高速引导调转模式下，根据上级下发的位置，经过解算计算得到伺服拒止平台运动的角度位置，实时控制器通过控制算法将计算的输出速度量给到驱动器，驱动器根据速度指令驱动伺服电机转动，经减速器带动伺服拒止平台运动；在该模式下，期望的结果即伺服拒止平台能够高速引导调转、精准到位。2、视频图像闭环的跟踪模式下，根据安装到伺服拒止平台上的光电瞄准镜实时采集的图像，运用识别算法进行图像识别与目标跟踪，依据图像像素计算伺服拒止平台偏差的角度，以该角度量作为控制算法输入，经过控制算法计算，得到输出速度量，并将输出速度量发送给驱动器，从而驱动伺服拒止平台带动光电瞄准镜运动，以此来跟踪指定目标；在该模式下，既期望伺服拒止平台运动速度不能太快，从而减少运动震荡次数，以便满足图像识别需要，又期望在图像像素计算角度的低采样率下伺服拒止平台反应迅速，以满足快速跟踪的要求。
伺服拒止平台传统意义上所采用的的控制算法是PID控制算法，是根据角度误差进行的一种固定参数和固定结构的控制计算，从而无法避免会出现以下问题，即：1、为了提高伺服拒止平台过渡过程的速度，造成图像容易模糊且震荡次数多；2、为了满足图像识别的要求，拒止运动被限速，在高速引导调转时无法达到要求的快速性，从而，传统意义上的PID运动控制无法同时满足上述两个模式的要求。
为此，需要设计一种伺服拒止平台的运动控制方法，以期能满足新的任务载荷的平台运动调转的性能需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，满足高速引导调转模式和视频图像闭环跟踪模式下，对伺服拒止平台运动的性能要求；能够实现伺服拒止平台高速引导调转、精准到位，以及根据图像识别反馈，驱动伺服拒止平台快速跟踪期望目标。
本发明的技术方案为：一种基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：计算伺服拒止平台的期望位置和实际位置之间的位置误差，定义为e；
步骤二：根据步骤一的计算结果进行判断，在|e|>|e0|、|e1|<|e|≤|e0|、|e2|<|e|≤|e1|、|e|≤|e2|四种情况下，对应采用四种不同的控制策略计算输出速度；
其中，e0是电机的最高转速ω0和P控制器按对应控制策略计算的输出速度之间的切换点；e1是图像可识别的最大角度位置；e2是满足图像识别要求的最大速度ω1和PI控制器按对应控制策略计算的输出速度之间的切换点；
步骤三：将步骤二中计算得到的输出速度发送给驱动器，驱动器驱动电机以该输出速度旋转，以带动伺服拒止平台运动；
步骤四：实时测量伺服拒止平台运动的实际位置，并返回步骤一计算位置误差，直至位置误差e达到预设的精度阈值，控制结束。
其特征在于，所述步骤二中，当|e|>|e0|时，所述控制策略为电机以最高转速ω0旋转。
优选地，当e>e0时，控制策略对应的输出速度为ω0；当e<-e0时，控制策略对应的输出速度为-ω0。
优选地，所述步骤二中，当|e1|<|e|≤|e0|时，所述控制策略为电机以采用P控制器计算的输出速度旋转。
优选地，当e1<e≤e0时，控制策略对应的输出速度为
Figure BDA0003261885730000021
当-e0≤e<-e1时，控制策略对应的输出速度为
Figure BDA0003261885730000022
其中，T为电机的额定扭矩，J为电机轴上的总转动惯量。
优选地，所述步骤二中，当|e2|<|e|≤|e1|时，所述控制策略为电机以满足图像识别要求的最大速度ω1旋转。
优选地，当e2<e≤e1时，控制策略对应的输出速度为ω1；当-e1≤e<-e2时，控制策略对应的输出速度为-ω1。
优选地，当|e|≤|e2|时，所述控制策略为电机以采用PI控制器计算的输出速度旋转。
优选地，所述采用PI控制器对应的输出速度为：
fPI(e)＝KP*e(t)+KI∫e(t)dt；
其中，KP和KI分别为PI控制器的比例控制参数和积分控制参数，e(t)为不同时刻的实时位置误差。
优选地，e0的计算方式为：
Figure BDA0003261885730000031
e2的计算方法为：
Figure BDA0003261885730000032
其中，T为电机的额定扭矩，J为电机轴上的总转动惯量。
有益效果：
本发明的伺服拒止平台运动控制方法，利用伺服拒止平台的期望位置和伺服拒止平台的实际位置之间的位置误差与设定的开关阈值进行比较，当位置误差大于阈值时，控制电机以最高转速逼近给定位置；当位置误差小于阈值时，控制电机按照位置误差通过位置比例调节器的参考速度提前进行减速；当位置误差继续缩小到图像识别的最大角度位置后，控制电机以最大图像识别要求速度进行运动；当位置误差逼近给定位置时，采用位置差的比例积分控制，消除静差；该方法实现了在大的误差角度的时候以最大能力输出，快到预设位置时提前以最大能力进行减速，同时又抑制了积分饱和现象造成的影响，满足了高速引导调转模式和视频图像闭环的跟踪模式对伺服拒止平台运动的性能需求。
附图说明
图1为本发明的伺服拒止平台运动控制方法的流程图。
图2为本发明中伺服拒止平台运动的控制原理图。
图3为本发明中伺服拒止平台运动的控制效果图。
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。
本实施例提供了一种基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，满足高速引导调转模式和视频图像闭环跟踪模式下，对伺服拒止平台运动的性能要求；能够实现伺服拒止平台高速引导调转、精准到位，以及根据图像识别反馈，驱动伺服拒止平台快速跟踪期望目标。
本实施例中的已知条件如下：
当伺服拒止平台的机械和电机部件装配好，瞄准镜的视场和镜子相机的帧频选择好之后，则伺服拒止平台的电机的最高转速为ω0，电机的额定扭矩为T，电机轴上的总转动惯量为J，满足图像识别要求的最大速度为ω1，图像可以识别的最大角度位置为e1；
需要说明的是，本实施例中的变结构指不同控制策略之间的变化；
如图1所示，该伺服拒止平台运动的控制方法包括以下步骤：
步骤一：计算伺服拒止平台的期望位置和实际位置之差，得到位置误差，定义为e；
步骤二：判断|e|与|e0|之间的关系，当|e|>|e0|时，输出速度为ω0，即驱动器驱动电机以最高转速ω0旋转；其中，e0是电机的最高转速ω0和P控制器按对应控制策略计算的输出速度之间的切换点；当|e|≤|e0|时，转入第三步；
步骤三：判断|e|与|e1|之间的关系，当|e1|<|e|≤|e0|时，采用P控制器的控制思想，输出速度fP(e)成比例递减，其表达式为：
Figure BDA0003261885730000041
Figure BDA0003261885730000042
驱动器驱动电机以该输出速度旋转；其中，e1是图像可识别的最大角度位置(同时也是P控制器按对应控制策略计算的输出速度和满足图像识别要求的最大速度ω1之间的切换点)；
当|e|≤|e1|时，转入第四步；
步骤四：判断|e|与|e2|之间的关系，当|e2|<|e|≤|e1|时，驱动器驱动电机以图像识别要求的最大速度ω1旋转；当|e|≤|e2|时，转入第五步；
步骤五：当|e|≤|e2|时，采用标准的PI控制器，驱动器驱动电机以fPI(e)的输出速度旋转，fPI(e)的表达式为：
fPI(e)＝KP*e(t)+KI∫e(t)dt；
其中，KP和KI分别为PI控制器的比例控制参数和积分控制参数，e(t)为不同时刻的实时位置误差，e2是满足图像识别要求的最大速度ω1和PI控制器按对应控制策略计算的输出速度之间的切换点；
步骤六：如图2所示，将步骤二～步骤五中计算得到的输出速度发送给驱动器，驱动器驱动电机以对应的输出速度旋转，从而带动伺服拒止平台进行相应的运动；
步骤七：实时测量伺服拒止平台运动的实际位置，并返回步骤一计算位置误差，直至位置误差e在允许的精度阈值内(例如，e＝0)，控制结束。
本实施例中，e0的计算方式为：
Figure BDA0003261885730000051
本实施例中，e2的计算方法为：
Figure BDA0003261885730000052
本实施例中，上述步骤五中，也可采用标准的反计算积分饱和控制器，这样fPI(e)的表达式为：
fPI(e)＝KP*e(t)+KI∫(e(t)-KC*(u(t-1)-us(t-1)))dt；
其中，KC为反计算抗饱和系数，u(t)为采用PI控制器计算得到的输出速度，us(t)为设置饱和限幅输出后的输出速度。
本实施例中，伺服拒止平台电机轴上的总转动惯量J＝0.0074kg*m2，电机额定扭矩T＝4.48N*m，电机最大转速ω0＝3000r/min，阈值e1＝80mil，图像识别要求的最大速度ω1＝150r/min；控制参数KP＝8，KI＝4，KC＝10；则基于变结构的伺服拒止平台运动的控制效果如图3所示，图中展示在1s时刻输入的期望位置角度为45度，实线和虚线分别对比显示两种控制方法的伺服拒止平台的实际运动过程；从图中可以看到，采用原始的控制方法，伺服拒止平台经过了较大的振荡才缓慢的到达期望位置，然而采用本发明的基于变结构的伺服拒止平台运动的控制，伺服拒止平台的运动控制能够快速的精准的到达期望位置。
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 (10)

1.一种基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：计算伺服拒止平台的期望位置和实际位置之间的位置误差，定义为e；
步骤二：根据步骤一的计算结果进行判断，在|e|>|e0|、|e1|<|e|≤|e0|、|e2|<|e|≤|e1|、|e|≤|e2|四种情况下，对应采用四种不同的控制策略计算输出速度；
其中，e0是电机的最高转速ω0和P控制器按对应控制策略计算的输出速度之间的切换点；e1是图像可识别的最大角度位置；e2是满足图像识别要求的最大速度ω1和PI控制器按对应控制策略计算的输出速度之间的切换点；
步骤三：将步骤二中计算得到的输出速度发送给驱动器，驱动器驱动电机以该输出速度旋转，以带动伺服拒止平台运动；
步骤四：实时测量伺服拒止平台运动的实际位置，并返回步骤一计算位置误差，直至位置误差e达到预设的精度阈值，控制结束。
2.如权利要求1所述的基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，其特征在于，所述步骤二中，当|e|>|e0|时，所述控制策略为电机以最高转速ω0旋转。
3.如权利要求2所述的基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，其特征在于，当e>e0时，控制策略对应的输出速度为ω0；当e<-e0时，控制策略对应的输出速度为-ω0。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，其特征在于，所述步骤二中，当|e1|<|e|≤|e0|时，所述控制策略为电机以采用P控制器计算的输出速度旋转。
5.如权利要求4所述的基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，其特征在于，当e1<e≤e0时，控制策略对应的输出速度为
Figure FDA0003261885720000011
当-e0≤e<-e1时，控制策略对应的输出速度为
Figure FDA0003261885720000012
其中，T为电机的额定扭矩，J为电机轴上的总转动惯量。
6.如权利要求1-3和5中任意一项所述的基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，其特征在于，所述步骤二中，当|e2|<|e|≤|e1|时，所述控制策略为电机以满足图像识别要求的最大速度ω1旋转。
7.如权利要求6所述的基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，其特征在于，当e2<e≤e1时，控制策略对应的输出速度为ω1；当-e1≤e<-e2时，控制策略对应的输出速度为-ω1。
8.如权利要求1-3、5和7中任意一项所述的基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，其特征在于，当|e|≤|e2|时，所述控制策略为电机以采用PI控制器计算的输出速度旋转。
9.如权利要求8所述的基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，其特征在于，所述采用PI控制器对应的输出速度为：
fPI(e)＝KP*e(t)+KI∫e(t)dt；
其中，KP和KI分别为PI控制器的比例控制参数和积分控制参数，e(t)为不同时刻的实时位置误差。
10.如权利要求9所述的基于变结构的伺服拒止平台运动的控制方法，其特征在于，e0的计算方式为：
Figure FDA0003261885720000021
e2的计算方法为：
Figure FDA0003261885720000022
其中，T为电机的额定扭矩，J为电机轴上的总转动惯量。
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