由环境温度变化引起的电动舵机性能变化的补偿方法与流程

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种由环境温度变化引起的电动舵机性能变化的补偿方法。

背景技术：

PID(proportion(比例)、integration(积分)、(differentiation微分))控制是自动控制中应用最为广泛的一种控制规律，实际运行经验和理论分析表明，将这种控制规律用于大多数控制对象能够得到比较满意的结果。但是，由于航空制导武器上的电动舵机需要适应-45℃～60℃的环境温度变化，在这一温度范围内，不同金属材料热胀冷缩程度的差异会导致减速机构的机械阻尼系数发生变化，因此用一组事先整定的PID参数难以达到较好的控制效果。根据实际设计经验分析，大多数情况为低温时阻尼变大，高温时阻尼减小。即当产品参数满足低温性能时，高温时会出现欠阻尼现象，阶跃响应的超调量将会增大，严重时会产生振荡；当产品参数满足高温性能时，低温时会产生过阻尼问题，动态响应性能将会下降。因此，需要找到一种根据温度变化改变控制策略中PID参数的方法以使产品能够在全温度范围内正常工作。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种由环境温度变化引起的电动舵机性能变化的补偿方法。该方法针对不同环境温度点通过引入负温度系数热敏电阻器以实时改变PID参数，进而有效的补偿由高低温引起的电动舵机机构机械阻尼发生的变化。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明提出的一种由环境温度变化引起的电动舵机性能变化的补偿方法，其特征在于：其具体操作步骤为：

步骤1：构造PID控制电路。

所述PID控制电路包括比例电路、微分电路和积分电路。

所述比例电路具体为：第一电阻(用符号R1表示)的一端接输入信号，另一 端分别与第一运算放大器(用符号A表示)的负输入端和第一调节电阻RT1的一端连接；第一调节电阻RT1的另一端与第二电阻(用符号R2表示)的一端连接；第二电阻R2的另一端和第一调节电阻RT1的输出端同时与第四电阻(用符号R4表示)的一端连接；第四电阻R4的另一端为所述比例调节电路的输出端；第一运算放大器A的正输入端与第三电阻(用符号R3表示)的一端连接；第三电阻R3的另一端接地。

所述微分电路具体为：第五电阻(用符号R5表示)的一端接输入信号，另一端与第一电容(用符号C1表示)的一端连接；第一电容C1的另一端分别与第二运算放大器(用符号B表示)的负输入端和第二调节电阻RT2的一端连接；第第二调节电阻RT2的另一端与第六电阻(用符号R6表示)的一端连接；第六电阻R6的另一端和第二调节电阻RT2的输出端同时与第八电阻(用符号R8表示)的一端连接；第八电阻R8的另一端为所述微分调节电路的输出端；第二运算放大器B的正输入端与第七电阻(用符号R7表示)的一端连接；第七电阻R7的另一端接地。

所述积分电路具体为：第九电阻(用符号R9表示)的一端接输入信号，另一端与第三调节电阻RT3的一端连接；第三调节电阻RT3的另一端分别与第三运算放大器(用符号C表示)的负输入端和第二电容(用符号C2表示)的一端连接；第二电容C2的另一端和第三运算放大器C的输出端同时与第十一电阻(用符号R11表示)的一端连接；第十一电阻R11的另一端为所述积分调节电路的输出端；第三运算放大器C的正输入端与第十电阻(用符号R10表示)的一端连接；第十电阻R10的另一端接地。

比例电路、微分电路和积分电路的输出之和为所述PID控制电路的输出。

所述第一电阻R1至第十一电阻R11的阻值以及第一电容C1、第二电容C2的电容值均根据实际控制要求由人为预先确定。

步骤2：将步骤1构造的PID控制电路接入到待补偿的电动舵机控制回路中，具体为：

外接设备中的控制平台输出舵机控制信号，待补偿的电动舵机上的角度传感器输出舵机反馈信号，所述舵机控制信号和舵机反馈信号做差运算之后的信号(用符号E(s)表示)作为所述PID控制电路的输入信号，即：信号E(s)分成三路，分别输入至第一电阻R1、第五电阻R5和第九电阻R9。PID控制电路的输出信号 发送到外接设备中的舵机功率放大器的输入端，舵机功率放大器的输出端与待补偿的电动舵机的输入端连接。

步骤3：在-45℃～60℃的温度范围内，均匀选取n个温度点，n≥5，并分别在每个温度点下对电动舵机进行动静态性能测试，通过调整第一调节电阻RT1、第二调节电阻RT2和第三调节电阻RT3的阻值，达到调整PID参数的目的，进而使待补偿的电动舵机在选取的各温度点下均满足性能指标要求，记录下各温度点下第一调节电阻RT1、第二调节电阻RT2和第三调节电阻RT3的阻值。

所述PID参数包括比例参数(用符号K_P表示)、微分参数(用符号K_I表示)和积分参数(用符号K_D表示)。比例参数K_P与第一调节电阻RT1的阻值(用符号R_T1表示)之间的关系如公式(1)所示；微分参数K_I与第二调节电阻RT2的阻值(用符号R_T2表示)之间的关系如公式(2)所示；积分参数K_D与第三调节电阻RT3的阻值(用符号R_T3表示)之间的关系如公式(3)所示。

K_I＝K_P(R₆+R_T2)C₁ (2)

步骤4：根据n个温度点下的第一调节电阻RT1的阻值R_T1绘制第一调节电阻RT1的阻值R_T1随温度变化的曲线，并选取温度和阻值的对应关系与该曲线相一致的第一热敏电阻器，用符号RM1表示。同时，根据n个温度点下的第二调节电阻RT2的阻值R_T2绘制第二调节电阻RT2的阻值R_T2随温度变化的曲线，并选取温度和阻值的对应关系与该曲线相一致的第二热敏电阻器，用符号RM2表示；根据n个温度点下的第三调节电阻RT3的阻值R_T3绘制第三调节电阻RT3的阻值R_T3随温度变化的曲线，并选取温度和阻值的对应关系与该曲线相一致的第三热敏电阻器，用符号RM3表示。

步骤5：构造变参数PID控制电路。

用第一热敏电阻器RM1替换比例电路中的第一调节电阻RT1，将比例电路变为比例调节电路；用第二热敏电阻器RM2替换微分电路中的第二调节电阻RT2， 将微分电路变为微分调节电路；用第三热敏电阻器RM3替换积分电路中的第三调节电阻RT3，将积分电路变为积分调节电路。比例调节电路、微分调节电路和积分调节电路构成变参数PID控制电路。

经过上述步骤的操作，即可通过变参数PID控制电路对由高低温引起的电动舵机机构机械阻尼发生的变化进行实时补偿。

有益效果

本发明提出的一种由环境温度变化引起的电动舵机性能变化的补偿方法，有效地解决了航空制导武器电动舵机环境温度适应性问题，电路设计合理、经济可行，达到了预期的效果。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中变参数PID控制电路的比例调节电路图；

图2为本发明具体实施方式中变参数PID控制电路的微分调节电路图；

图3为本发明具体实施方式中变参数PID控制电路的积分调节电路图；

图4为本发明具体实施方式中变参数PID控制电路接入到待补偿的电动舵机控制回路的结构框图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案做进一步的说明。

本实施例中，采用本发明提出的由环境温度变化引起的电动舵机性能变化的补偿方法对电动舵机进行补偿，其具体操作步骤为：

步骤1：构造PID控制电路。

所述PID控制电路包括比例电路、微分电路和积分电路。

所述比例电路具体为：第一电阻R1的一端接输入信号，另一端分别与第一运算放大器A的负输入端和第一调节电阻RT1的一端连接；第一调节电阻RT1的另一端与第二电阻R2的一端连接；第二电阻R2的另一端和第一调节电阻RT1的输出端同时与第四电阻R4的一端连接；第四电阻R4的另一端为所述比例调节电路的输出端；第一运算放大器A的正输入端与第三电阻R3的一端连接；第三电阻R3 的另一端接地。

所述微分电路具体为：第五电阻R5的一端接输入信号，另一端与第一电容C1的一端连接；第一电容C1的另一端分别与第二运算放大器B的负输入端和第二调节电阻RT2的一端连接；第第二调节电阻RT2的另一端与第六电阻R6的一端连接；第六电阻R6的另一端和第二调节电阻RT2的输出端同时与第八电阻R8的一端连接；第八电阻R8的另一端为所述微分调节电路的输出端；第二运算放大器B的正输入端与第七电阻R7的一端连接；第七电阻R7的另一端接地。

所述积分电路具体为：第九电阻R9的一端接输入信号，另一端与第三调节电阻RT3的一端连接；第三调节电阻RT3的另一端分别与第三运算放大器C的负输入端和第二电容C2的一端连接；第二电容C2的另一端和第三运算放大器C的输出端同时与第十一电阻R11的一端连接；第十一电阻R11的另一端为所述积分调节电路的输出端；第三运算放大器C的正输入端与第十电阻R10的一端连接；第十电阻R10的另一端接地。

比例电路、微分电路和积分电路的输出之和为所述PID控制电路的输出。

所述第一电阻R1至第十一电阻R11的阻值以及第一电容C1、第二电容C2的电容值均根据实际控制要求由人为预先确定。

步骤2：将步骤1构造的PID控制电路接入到待补偿的电动舵机控制回路中，具体为：

外接设备中的控制平台输出舵机控制信号，待补偿的电动舵机上的角度传感器输出舵机反馈信号，所述舵机控制信号和舵机反馈信号做差运算之后的信号E(s)作为所述PID控制电路的输入信号，即：信号E(s)分成三路，分别输入至第一电阻R1、第五电阻R5和第九电阻R9。PID控制电路的输出信号发送到外接设备中的舵机功率放大器的输入端，舵机功率放大器的输出端与待补偿的电动舵机的输入端连接。

步骤3：在-45℃～60℃的温度范围内，选取-45℃、-25℃、0℃、25℃、60℃，5个温度点，即n＝5，并分别在每个温度点下对电动舵机进行动静态性能测试，通过调整第一调节电阻RT1、第二调节电阻RT2和第三调节电阻RT3的阻值，达到调整PID参数的目的，进而使待补偿的电动舵机在选取的各温度点下均满足性能指标要求，记录下各温度点下第一调节电阻RT1、第二调节电阻RT2和第三调节 电阻RT3的阻值。

步骤4：根据n个温度点下的第一调节电阻RT1的阻值R_T1绘制第一调节电阻RT1的阻值R_T1随温度变化的曲线，并选取温度和阻值的对应关系与该曲线相一致的第一热敏电阻器，用符号RM1表示。同时，根据n个温度点下的第二调节电阻RT2的阻值R_T2绘制第二调节电阻RT2的阻值R_T2随温度变化的曲线，并选取温度和阻值的对应关系与该曲线相一致的第二热敏电阻器，用符号RM2表示；根据n个温度点下的第三调节电阻RT3的阻值R_T3绘制第三调节电阻RT3的阻值R_T3随温度变化的曲线，并选取温度和阻值的对应关系与该曲线相一致的第三热敏电阻器，用符号RM3表示。

步骤5：构造变参数PID控制电路。

用第一热敏电阻器RM1替换比例电路中的第一调节电阻RT1，将比例电路变为比例调节电路，如图1所示；图1中，Ui1为比例调节电路的输入端，Uo1为比例调节电路的输出端。

用第二热敏电阻器RM2替换微分电路中的第二调节电阻RT2，将微分电路变为微分调节电路，如图2所示；图2中，Ui2为比例调节电路的输入端，Uo2为比例调节电路的输出端。

用第三热敏电阻器RM3替换积分电路中的第三调节电阻RT3，将积分电路变为积分调节电路，如图3所示。图3中，Ui3为比例调节电路的输入端，Uo3为比例调节电路的输出端。

比例调节电路、微分调节电路和积分调节电路构成变参数PID控制电路。变参数PID控制电路接入到待补偿的电动舵机控制回路的结构框图如图4所示。

经过上述步骤的操作，即可通过变参数PID控制电路对由高低温引起的电动舵机机构机械阻尼发生的变化进行实时补偿。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。