CN117706930A - 一种可调速超调小的离散时间最优控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调速超调小的离散时间最优控制方法，包括：步骤1、输入期望位置和期望速度，确定状态变量；步骤2、根据改进的离散时间最优控制器的相流图确定相轨迹，根据相轨迹，在不同的相位点，得到对应的不同控制量，控制量即期望加速度；步骤3、将期望加速度及反馈速度输入扩张状态观测器，计算得到电流控制量；步骤4、将电流控制量输入电流环，分别计算得到电流环Q轴和D轴期望电压；步骤5、将Q轴和D轴期望电压输入到SVPWM控制模块，计算得到三相控制占空比，输入到驱动板驱动轴系转动。本发明针对惯导设备调制运动过程中，对时间和空间要求对称的特点，设计一种可调速、超调小、响应速度快的控制方法，以提高惯导系统导航精度。

Description

一种可调速超调小的离散时间最优控制方法

技术领域

本发明涉及惯性导航领域，尤其涉及一种可调速超调小的离散时间最优控制方法。

背景技术

舰载惯导系统是指利用惯性器件（陀螺仪、加速度计）、角度传感器、基准方向及初始位置来确定舰艇的艏向、位置和速度的自主式位置推算系统。由于陀螺的零飘特性，导致惯导系统的精度变低。为了应对这一问题，调制惯导被提出。通过对称运动使得一部分累计误差得到消除。因此，惯导调制运动的时间对称性和空间对称性变得重要，速度超调对系统的影响较大。

离散时间最优控制是惯导系统控制的重要方法，具有控制带宽高和稳定的特点。然而，目前常用的离散时间最优控制方法常常伴随这较大位置超调，并且速度无限制，这对惯到系统是不利的。为了应用离散时间最优控制方法，并避免过大的超调、兼具调速功能，设计了可调速超调小的离散时间最优控制方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种可调速超调小的离散时间最优控制方法，针对惯导设备调制运动过程中，对时间和空间要求对称的特点，设计一种可调速、超调小、响应速度快的控制方法，以提高惯导系统导航精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种可调速超调小的离散时间最优控制方法，惯导设备调制运动过程中，构建了包含改进的离散时间最优控制器、扩张状态观测器、电流环和SVPWM控制模块的控制方法；该方法包括：

步骤1、输入期望位置和期望速度，确定状态变量；

步骤2、根据改进的离散时间最优控制器的相流图确定相轨迹，根据相轨迹，在不同的相位点，得到对应的不同控制量，控制量即期望加速度；

步骤3、将期望加速度及反馈速度输入扩张状态观测器，计算得到电流控制量；

步骤4、将电流控制量输入电流环，分别计算得到电流环Q轴和D轴期望电压；

步骤5、将Q轴和D轴期望电压输入到SVPWM控制模块，计算得到三相控制占空比，输入到驱动板驱动轴系转动。

进一步地，本发明的所述步骤1的方法包括：

输入期望位置，当前实际位置与期望位置作差，得到位置状态x；期望速度始终为0，当前实际速度即为速度状态v；得到两个状态变量x,v。

进一步地，本发明的所述步骤2的方法包括：

a、在改进的离散时间最优控制器的相流图中，两步可到达原点区域为两步控制可到达原点且控制量在允许范围内的区域，此区域的控制量根据实际相点取为：

b、开关曲线调整区域为一步控制可到达开关曲线，且控制量在允许范围内的区域，此区域对应的控制量根据实际相点位置，取为：

c、速度曲线调整区域为一步控制可到达最大速度限幅其控制量在允许范围内的区域，此区域对应的控制量根据实际相点位置，取为：

d、其它区域为除步骤a-c中区域以外的区域，此区域的控制量根据实际相点位置，取为：

其中，x表示位姿，v表示速度，h表示步长，v _m表示最大限幅速度，u _m表示最大控制量，即加速度。

进一步地，本发明的所述步骤4的方法包括：

将电流控制量输入电流环Q轴，采用矢量控制方法，D轴期望电流为0，电流环可采用PID控制，分别计算得到Q轴和D轴期望电压。

本发明提供一种可调速超调小的离散时间最优控制系统，包括：

改进的离散时间最优控制器，用于根据相流图确定相轨迹，根据相轨迹，在不同的相位点，得到对应的不同控制量，控制量即期望加速度；

扩张状态观测器，用于将期望加速度及反馈速度输入扩张状态观测器，对偏离期望的部分进行补偿并跟踪加速度，计算得到电流控制量；

电流环，用于将电流控制量输入电流环，分别计算得到电流环Q轴和D轴期望电压；

SVPWM控制模块，用于输入Q轴和D轴期望电压，计算得到三相控制占空比，输入到驱动板驱动轴系转动。

进一步地，本发明的所述改进的离散时间最优控制器的实现方法包括：

a、在改进的离散时间最优控制器的相流图中，两步可到达原点区域为两步控制可到达原点且控制量在允许范围内的区域，此区域的控制量根据实际相点取为：

b、开关曲线调整区域为一步控制可到达开关曲线，且控制量在允许范围内的区域，此区域对应的控制量根据实际相点位置，取为：

c、速度曲线调整区域为一步控制可到达最大速度限幅其控制量在允许范围内的区域，此区域对应的控制量根据实际相点位置，取为：

d、其它区域为除步骤a-c中区域以外的区域，此区域的控制量根据实际相点位置，取为：

其中，x表示位姿，v表示速度，h表示步长，v _m表示最大限幅速度，u _m表示最大控制量，即加速度。

本发明产生的有益效果是：

1、减小了控制的超调，使其更适合于惯导调制，达到提高惯导精度的效果；

2、可以限幅速度，从而具备对速度跟踪控制的功能；

3、具有静态稳定性好、动态响应快的控制效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的舰载惯导设备控制系统框图；

图2是本发明实施例的MDTOC控制方法相流图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例针对惯导设备调制运动过程中，对时间和空间要求对称的特点，设计一种可调速、超调小、响应速度快的控制方法，以提高惯导系统导航精度。包括：

1）改进的离散时间最优控制器；

2）扩张状态观测器；

3）电流环；

4）空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制模块。

本发明实施例中，以离散系统的控制时间为目标，并考虑到实际系统中速度有限幅需求，或者需要对速度跟踪的需求，设计了改进的离散时间最优控制器。改进的离散时间最优控制器以位置误差和速度误差为输入，计算得到期望的加速度。扩展状态观测器根据期望的输入加速度以及反馈的速度，对偏离期望的部分进行补偿，从而达到跟踪加速度指令的目的。经过扩张状态观测器修正过的控制量变为了电流指令。当采用矢量控制时，电流指令直接赋值给Q轴，并令D轴电流为0。经过坐标变换和SVPWM变换后，得到三相控制占空比，输出到驱动器驱动轴系运动。再通过采样环节将电流、速度、位置反馈给控制系统中的各个环节形成闭环控制。

在本发明的具体实施例中，具体包含改进的离散时间最优控制（ModifiedDiscrete Time Optimization Control, MDTOC）、扩张状态观测器（Extended StateObserver, ESO）、电流环、SVPWM模块。控制框图如图1所示。x表示位姿，v表示速度，h表示步长，v _m表示最大限幅速度，u _m表示最大控制量（实际为加速度）。实施方式如下：

1）确定状态变量。输入期望位置，当前实际位置与期望位置作差，得到位置状态x。期望速度始终为0，当前实际速度即为速度状态v。得到两个状态变量（x,v）。

2）确定相轨迹。相轨迹根据相流图确定相轨迹，如图2所示。根据相轨迹，在不同的相位点，对应不同的控制量。不同区域对应不同的控制量为：

两步可到达原点区域（指的两步控制可到达原点且控制量在允许范围内的区域）。此区域的控制量根据实际相点，控制量取为

开关曲线调整区域（指的一步控制可到达开关曲线，且控制量在允许范围内的区域）。此区域对应的控制量根据实际相点位置，取为

速度曲线调整区域（指的一步控制可到达最大速度限幅其控制量在允许范围内的区域）。此区域对应的控制量根据实际相点位置，取为

其他区域（指的除上述区域以外的区域）。此区域的控制量根据实际相点位置，取为

3）将控制量（实际为期望加速度）及反馈速度输入大扩张状态观测器，计算得到电流控制量。

4）将电流控制量输入电流环Q轴，采用矢量控制方法，D轴期望电流为0。电流环可采用PID控制，分别计算得到Q轴和D轴期望电压。

5）将Q轴和D轴电压输入到SVPWM模块，计算得到三相控制占空比，输入到驱动板驱动轴系转动。

通过本发明的方法，减小了控制的超调，使其更适合于惯导调制，达到提高惯导精度的效果；可以限幅速度，从而具备对速度跟踪控制的功能；具有静态稳定性好、动态响应快的控制效果。

应当理解的是，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种可调速超调小的离散时间最优控制方法，其特征在于，惯导设备调制运动过程中，构建了包含改进的离散时间最优控制器、扩张状态观测器、电流环和SVPWM控制模块的控制方法；该方法包括：

步骤1、输入期望位置和期望速度，确定状态变量；

步骤2、根据改进的离散时间最优控制器的相流图确定相轨迹，根据相轨迹，在不同的相位点，得到对应的不同控制量，控制量即期望加速度；

步骤3、将期望加速度及反馈速度输入扩张状态观测器，计算得到电流控制量；

步骤4、将电流控制量输入电流环，分别计算得到电流环Q轴和D轴期望电压；

步骤5、将Q轴和D轴期望电压输入到SVPWM控制模块，计算得到三相控制占空比，输入到驱动板驱动轴系转动。

2.根据权利要求1所述的可调速超调小的离散时间最优控制方法，其特征在于，所述步骤1的方法包括：

输入期望位置，当前实际位置与期望位置作差，得到位置状态x；期望速度始终为0，当前实际速度即为速度状态v；得到两个状态变量x, v。

3.根据权利要求1所述的可调速超调小的离散时间最优控制方法，其特征在于，所述步骤2的方法包括：

a、在改进的离散时间最优控制器的相流图中，两步可到达原点区域为两步控制可到达原点且控制量在允许范围内的区域，此区域的控制量根据实际相点取为：

b、开关曲线调整区域为一步控制可到达开关曲线，且控制量在允许范围内的区域，此区域对应的控制量根据实际相点位置，取为：

c、速度曲线调整区域为一步控制可到达最大速度限幅其控制量在允许范围内的区域，此区域对应的控制量根据实际相点位置，取为：

d、其它区域为除步骤a-c中区域以外的区域，此区域的控制量根据实际相点位置，取为：

其中，x表示位姿，v表示速度，h表示步长，v _m表示最大限幅速度，u _m表示最大控制量，即加速度。

4.根据权利要求1所述的可调速超调小的离散时间最优控制方法，其特征在于，所述步骤4的方法包括：

将电流控制量输入电流环Q轴，采用矢量控制方法，D轴期望电流为0，电流环可采用PID控制，分别计算得到Q轴和D轴期望电压。

5.一种可调速超调小的离散时间最优控制系统，其特征在于，包括：

改进的离散时间最优控制器，用于根据相流图确定相轨迹，根据相轨迹，在不同的相位点，得到对应的不同控制量，控制量即期望加速度；

扩张状态观测器，用于将期望加速度及反馈速度输入扩张状态观测器，对偏离期望的部分进行补偿并跟踪加速度，计算得到电流控制量；

电流环，用于将电流控制量输入电流环，分别计算得到电流环Q轴和D轴期望电压；

SVPWM控制模块，用于输入Q轴和D轴期望电压，计算得到三相控制占空比，输入到驱动板驱动轴系转动。

6.根据权利要求5所述的可调速超调小的离散时间最优控制系统，其特征在于，所述改进的离散时间最优控制器的实现方法包括：

a、在改进的离散时间最优控制器的相流图中，两步可到达原点区域为两步控制可到达原点且控制量在允许范围内的区域，此区域的控制量根据实际相点取为：

b、开关曲线调整区域为一步控制可到达开关曲线，且控制量在允许范围内的区域，此区域对应的控制量根据实际相点位置，取为：

c、速度曲线调整区域为一步控制可到达最大速度限幅其控制量在允许范围内的区域，此区域对应的控制量根据实际相点位置，取为：

d、其它区域为除步骤a-c中区域以外的区域，此区域的控制量根据实际相点位置，取为：

其中，x表示位姿，v表示速度，h表示步长，v _m表示最大限幅速度，u _m表示最大控制量，即加速度。