基于舵机特性的控制律平滑切换方法及装置与流程

本发明涉及自动控制技术领域，尤指一种基于舵机特性的控制律平滑切换方法及装置。

背景技术：

无人机的飞行控制系统通常由飞行控制计算机、舵机和测量传感器组成。如图1所示，飞行控制计算机接收传感器测得的位置信息及姿态信息，将接收的各个信息y(t)分别与目标信息r(t)做差得到偏差信息e(t)，通过控制律解算输出指令δ给相应的舵机，进而控制无人机的位置和姿态来完成任务。因在整个飞行过程中，无人机处于各个不同的飞行阶段，因此，需要不同控制律之间的切换，在切换过程中，为防止舵面瞬时突跳对无人机带来不利的影响，需要确保飞行控制系统的稳定裕度。

目前，常用的抑制舵面瞬时跳变的方法有双模态同步运算瞬变抑制法和单模态运算瞬变抑制法。首先介绍双模态同步运算瞬变抑制法，假设c(t)为控制律的总输出值，a(t)、b(t)为控制律a、b的输出值，在ts时刻，由控制律a切换到控制律b，则参数λ决定了双模态切换过程的快慢，通过仿真调整λ，以获得满意的切换效果。双模态同步运算瞬变抑制法瞬变抑制效果明显，但需要同时运算两组控制律，这样会占用过多的时间和内存。

在双模态同步运算瞬变抑制法基础上进行改进后得到单模态运算瞬变抑制法，在切换前单独运算控制律a，记录切换时刻控制律a的输出值a(ts)，以淡化处理的方式在ts时间内将控制律输出逐渐过渡到控制律b上，即：

其中：

单模态运算瞬变抑制法虽然只需运算当前的控制律，克服了双模态抑制法需同时运算两组控制律的缺点，但是切换过程中系统的稳定裕度仍难以确定，并且需要根据经验多次调整参数才能达到较好的切换效果，耗时较长。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种基于舵机特性的控制律平滑切换方法及装置，用以解决现有技术中存在的切换过程中系统的稳定裕度仍难以确定，并且需要根据经验多次调整参数才能达到较好的切换效果，耗时较长的问题。

根据本发明实施例，提供一种基于舵机特性的控制律平滑切换方法，，应用于飞行控制系统包括的飞行控制计算机中，所述飞行控制系统还包括舵机，所述方法包括：

确定在切换时刻第一控制律的第一输出值；

根据所述第一输出值和所述切换时刻确定切换后的第二控制律的积分器的初始值，所述第二控制律是基于所述舵机的特性得到的；

根据所述初始值确定在所述切换时刻之后所述第二控制律的输出值。

具体的，根据所述第一输出值和所述切换时刻确定切换后的第二控制律的积分器的初始值，具体包括：

获取切换后的第二控制律的初始输出值表达式，所述初始值表达式为惯性环节增益与积分器的乘积；

将所述第一输出值代入所述初始输出值表达式、并将所述切换时刻作为所述积分器的起始时刻，得到在所述切换时刻的所述初始输出值表达式；

将在所述切换时刻的所述初始输出值表达式进行变形得到所述积分器的初始值。

具体的，所述初始输出值表达式为其中，δ2为所述第二控制律的第二输出值，a为惯性环节增益，为所述积分器，x0为所述积分器的初始值，e(τ)表示偏差信息随时间的变化；

在所述切换时刻的所述初始输出值表达式为δ1＝ax0，δ1为所述第一输出值。

具体的，将在所述切换时刻的所述初始输出值表达式进行变形得到所述积分器的初始值，具体包括：

将在所述切换时刻的所述初始输出值表达式中的所述第一输出值δ1与所述惯性环节增益a相除得到所述积分器的初始值

具体的，根据所述初始值确定在所述切换时刻之后所述第二控制律的输出值，具体包括：

将所述初始值代入所述初始输出值表达式中，得到所述第二控制律的输出值为

根据本发明实施例，还提供一种基于舵机特性的控制律平滑切换装置，应用于飞行控制系统包括的飞行控制计算机中，所述飞行控制系统还包括舵机，包括：

第一确定模块，用于确定在切换时刻第一控制律的第一输出值；

第二确定模块，用于根据所述第一输出值和所述切换时刻确定切换后的第二控制律的积分器的初始值，所述第二控制律是基于所述舵机的特性得到的；

第三确定模块，用于根据所述初始值确定在所述切换时刻之后所述第二控制律的输出值表达式。

具体的，所述第二确定模块，用于根据所述第一输出值和所述切换时刻确定切换后的第二控制律的积分器的初始值，具体用于：

获取切换后的第二控制律的初始输出值表达式，所述初始值表达式为惯性环节增益与积分器的乘积；

将所述第一输出值代入所述初始输出值表达式、并将所述切换时刻作为所述积分器的起始时刻，得到在所述切换时刻的所述初始输出值表达式；

将在所述切换时刻的所述初始输出值表达式进行变形得到所述积分器的初始值。

具体的，所述初始输出值表达式为其中，δ2为所述第二控制律的第二输出值，a为惯性环节增益，为所述积分器，x0为所述积分器的初始值，e(τ)表示偏差信息随时间的变化；

在所述切换时刻的所述初始输出值表达式为δ1＝ax0，δ1为所述第一输出值。

具体的，所述第二确定模块，用于将在所述切换时刻的所述初始输出值表达式进行变形得到所述积分器的初始值，具体用于：

将在所述切换时刻的所述初始输出值表达式中的所述第一输出值δ1与所述惯性环节增益a相除得到所述积分器的初始值

具体的，所述第三确定模块，用于根据所述初始值确定在所述切换时刻之后所述第二控制律的输出值，具体用于：

将所述初始值代入所述初始输出值表达式中，得到所述第二控制律的输出值为

根据本发明实施例，还提供一种电子设备，所述电子设备包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，用于存放计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存储的程序时，实现上述的方法步骤。

根据本发明实施例，还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法步骤。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供一种基于舵机特性的控制律平滑切换方法及装置，通过确定在切换时刻第一控制律的第一输出值；根据所述第一输出值和所述切换时刻确定切换后的第二控制律的积分器的初始值，所述第二控制律是基于所述舵机的特性得到的；根据所述初始值确定在所述切换时刻之后所述第二控制律的输出值。该方案中，在将第一控制律切换到基于舵机的特性得到的第二控制律时，首先确定在切换时刻第一控制律的第一输出值，然后根据第一输出值和切换时刻确定第二控制律的积分器的初始值，进而确定在切换时刻之后第二控制律的输出值，也就是说可以快速实现在切换时刻第二控制律的输出值等于第一输出值，从而可以实现第二控制律的平滑切换，确保稳定裕度，避免舵面突跳。

附图说明

图1为现有技术中飞行控制计算机的控制舵机的示意图；

图2本发明实施例中一种基于舵机特性的控制律平滑切换方法的流程图；

图3为本发明实施例中一种基于舵机特性的控制律平滑切换装置的结构示意图；

图4为本申请示出的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

针对现有技术中存在的切换过程中系统的稳定裕度仍难以确定，并且需要根据经验多次调整参数才能达到较好的切换效果，耗时较长的问题，本发明实施例提供一种基于舵机特性的控制律平滑切换方法，应用于飞行控制系统包括的飞行控制计算机中，飞行控制系统还包括舵机，该方法的流程如图2所示，执行步骤如下：

s21：确定在切换时刻第一控制律的第一输出值。

无人机不同的飞行阶段通常是通过切换控制律来实现的，需要切换的控制律可以定义为第一控制律，由于在控制律切换过程中，为了抑制无人机的舵面瞬间跳变，实现控制律的平滑切换，最好的方式是第一控制律在切换时刻的输出值就是后续控制律的输出值，因此，首先需要确定在切换时刻第一控制律的输出值，该输出值可以定义为第一输出值。

s22：根据第一输出值和切换时刻确定切换后的第二控制律的积分器的初始值。

切换后的控制律可以定义为第二控制律，其中，第二控制律是基于舵机的特性得到的，由于舵机的特性可以近似为一阶惯性环节，而一阶惯性环节又可以近似为积分器，因此，第二控制律的积分器的初始值可以根据第一输出值和切换时刻确定。

s23：根据初始值确定在切换时刻之后第二控制律的输出值。

在确定积分器的初始值后，就可以进一步基于该初始值确定第二控制律的输出值，以便于后续基于该输出值的输出值对舵机进行飞行姿态和位置的控制。

该方案中，在将第一控制律切换到基于舵机的特性得到的第二控制律时，首先确定在切换时刻第一控制律的第一输出值，然后根据第一输出值和切换时刻确定第二控制律的积分器的初始值，进而确定在切换时刻之后第二控制律的输出值，也就是说可以快速实现在切换时刻第二控制律的输出值等于第一输出值，从而可以实现第二控制律的平滑切换，确保稳定裕度，避免舵面突跳。

一种实施方式，在现有技术中从第一控制律切换到第二控制律，第二控制律不含积分器时，若直接进行切换，则会出现舵面瞬间突跳，无法保证稳定裕度，因此，本申请实施例可以对第二控制律进行变换处理，将其变换成为含有积分器的形式，从而通过积分器实现从第一控制律到第二控制律的平滑切换，有效避免舵面瞬间突跳，确保稳定裕度。

具体的，上述s22中的根据第一输出值和切换时刻确定切换后的第二控制律的积分器的初始值，具体包括：

获取切换后的第二控制律的初始输出值表达式，初始值表达式为惯性环节增益与积分器的乘积；

将第一输出值代入初始输出值表达式、并将切换时刻作为积分器的起始时刻，得到在切换时刻的初始输出值表达式；

将在切换时刻的初始输出值表达式进行变形得到积分器的初始值。

具体的，上述初始输出值表达式为

其中，δ2为第二控制律的第二输出值，a为惯性环节增益，为积分器，x0为积分器的初始值，e(τ)表示偏差信息随时间的变化。由于此时x0未知，因此公式(1)仅仅是第二控制律的初始输出值表达式，还不能作为最终的输出值表达式。

在切换时刻的初始输出值表达式为δ1＝ax0……公式(2)；

其中，δ1为第一输出值。由于切换时刻对于第二控制律来说就是t＝0的时刻，因此，将t＝0代入公式(1)就可以得到公式(2)。

具体的，将在切换时刻的初始输出值表达式进行变形得到积分器的初始值，具体包括：

将在切换时刻的初始输出值表达式中的第一输出值δ1与惯性环节增益a相除得到积分器的初始值

将公式(2)进行变形就可以得到积分器的初始值x0，由于δ1与a均为已知，从而可以得到x0的具体值。

具体的，根据初始值确定在切换时刻之后第二控制律的输出值，具体包括：

将初始值代入初始输出值表达式中，得到第二控制律的输出值为

在初始输出值表达式中，仅有x0未知，通过上述步骤已经确定出x0的具体值，将其代入初始输出值表达式中，就可以得到第二控制律的输出值表达式。该表达式中含有积分器，通过积分器实现在切换时刻第二控制律的输出值等于第一控制律的输出值，从而有效避免舵面瞬间突跳，实现第一控制律到第二控制律的平滑切换。

飞行控制计算机可以接收传感器测得的位置信息及姿态信息，将接收的各个信息分别与目标信息做差得到偏差信息，通过输出值表达式计算输出值给相应的舵机，进而控制无人机的位置和姿态来完成任务。

基于同一发明构思，本发明实施例提供一种基于舵机特性的控制律平滑切换装置，应用于飞行控制系统包括的飞行控制计算机中，飞行控制系统还包括舵机，该装置的结构如图3所示，包括：

第一确定模块31，用于确定在切换时刻第一控制律的第一输出值；

第二确定模块32，用于根据第一输出值和切换时刻确定切换后的第二控制律的积分器的初始值，第二控制律是基于舵机的特性得到的；

第三确定模块33，用于根据初始值确定在切换时刻之后第二控制律的输出值。

该方案中，在将第一控制律切换到基于舵机的特性得到的第二控制律时，首先确定在切换时刻第一控制律的第一输出值，然后根据第一输出值和切换时刻确定第二控制律的积分器的初始值，进而确定在切换时刻之后第二控制律的输出值，也就是说可以快速实现在切换时刻第二控制律的输出值等于第一输出值，从而可以实现第二控制律的平滑切换，确保稳定裕度，避免舵面突跳。

具体的，第二确定模块32，用于根据第一输出值和切换时刻确定切换后的第二控制律的积分器的初始值，具体用于：

获取切换后的第二控制律的初始输出值表达式，初始值表达式为惯性环节增益与积分器的乘积；

将第一输出值代入初始输出值表达式、并将切换时刻作为积分器的起始时刻，得到在切换时刻的初始输出值表达式；

将在切换时刻的初始输出值表达式进行变形得到积分器的初始值。

具体的，初始输出值表达式为其中，δ2为第二控制律的第二输出值，a为惯性环节增益，为积分器，x0为积分器的初始值，e(τ)表示偏差信息随时间的变化；

在切换时刻的初始输出值表达式为δ1＝ax0，δ1为第一输出值。

具体的，第二确定模块32，用于将在切换时刻的初始输出值表达式进行变形得到积分器的初始值，具体用于：

将在切换时刻的初始输出值表达式中的第一输出值δ1与惯性环节增益a相除得到积分器的初始值

具体的，第三确定模块33，用于根据初始值确定在切换时刻之后第二控制律的输出值，具体用于：

将初始值代入初始输出值表达式中，得到第二控制律的输出值为

本申请实施例还提供了一种电子设备，请参见图4所示，包括处理器410、通信接口420、存储器430和通信总线440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。

存储器430，用于存放计算机程序；

处理器410，用于执行存储器430上所存放的程序时，实现上述实施例中任一所述的基于舵机特性的控制律平滑切换方法。

通信接口420用于上述电子设备与其他设备之间的通信。

存储器可以包括随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)，也可以包括非易失性存储器(non-volatilememory，nvm)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。

上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、网络处理器(networkprocessor，np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

该方案中，在将第一控制律切换到基于舵机的特性得到的第二控制律时，首先确定在切换时刻第一控制律的第一输出值，然后根据第一输出值和切换时刻确定第二控制律的积分器的初始值，进而确定在切换时刻之后第二控制律的输出值，也就是说可以快速实现在切换时刻第二控制律的输出值等于第一输出值，从而可以实现第二控制律的平滑切换，确保稳定裕度，避免舵面突跳。

相应地，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一所述的基于舵机特性的控制律平滑切换方法。

该方案中，在将第一控制律切换到基于舵机的特性得到的第二控制律时，首先确定在切换时刻第一控制律的第一输出值，然后根据第一输出值和切换时刻确定第二控制律的积分器的初始值，进而确定在切换时刻之后第二控制律的输出值，也就是说可以快速实现在切换时刻第二控制律的输出值等于第一输出值，从而可以实现第二控制律的平滑切换，确保稳定裕度，避免舵面突跳。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的可选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括可选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。