一种基于三轴转台的高精度控制策略的制作方法

1.本发明涉及转台控制领域，特别涉及一种基于三轴转台的高精度控制策略。


背景技术：

2.转台作为高精度仿真测试设备、自动跟踪平台以及调姿态定位设备等，广泛应用于我国航空航天、国防等领域，是一种复杂的集机、电、光于一体的现代化设备。转台作为航空、航天领域中进行的半实物仿真和惯组等的标定测试设备，在飞行器的研制过程中起着关键作用，它能够模拟飞行器的各种姿态角度运动，复现其运动时的各种动力学特性，对飞行器的制导系统、控制系统以及相应的元器件性能进行反复测试，获得充分的实验数据。转台作为自动跟踪平台，越来越广泛地应用于各类国防武器装备中，在特定场合实现快速响应，快速捕捉瞄准目标并进行精确打击。转台作为调姿定位设备，较多地应用于各类卫星、雷达、遥感相机等高端地面总装测试时的姿态调整及短途转运，负载大定位精度高，且需要适应各类特殊环境。
3.随着航空航天、武器装备等各高端装备领域的迅速发展，对装备的性能要求不断的提高，这就要求相应的转台测试设备的性能要求也要不断提高。在转台伺服系统中，广泛存在的各种非线性因素，如死区、齿隙、饱和以及摩擦等因素时影响转台伺服控制系统控制性能的主要因素，它们直接影响转台的性能，并使得转台控制系统准确数学模型的建立变得异常困难，转台的控制难度大大增加，早期的库伦(coulomb)模型，bingham模型，stribeck模型以及armstrong模型等静力学模型，虽然可以近似拟合真实摩擦力，但是无法反映摩擦的动态特性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于三轴转台的高精度控制策略，以解决三轴转台的控制问题。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：
6.一种基于三轴转台的高精度控制策略，包括以下步骤：
7.步骤1、采集三轴转台的角位置、角速度、电机的电流反馈值；
8.步骤2、设计三轴转台三环主控制器：在转台控制系统中在引入了电流负反馈、速率负反馈和位置反馈，分别设计基于三轴转台的电流反馈闭环、速率pid闭环和位置pid闭环控制，实现整个三轴转台的三环主控制；
9.步骤3：设计交替最小二乘的摩擦力补偿副控制器：在三轴转台三环主控制器的基础上，采用交替最小二乘法拟合来逼近电机的摩擦力矩；
10.步骤4：使用遗传算法对交替最小二乘法的初始矩阵和确定因子进行寻优处理得到最优值；
11.步骤5、将遗传算法求得的初始矩阵和确定因子最为新的随机初始化的初始矩阵和确定因子，将交替最小二乘法输出的转速值与pid的输出值相叠加，继而控制电机。
12.本发明与现有技术相比，其显著优点是：
13.本发明通过交替最小二乘法拟合摩擦力矩，并对摩擦力矩进行针对性的补偿，使得转台能更稳定的低速运行；通过遗传算法筛选交替最小二乘法的最优参数，提高了系统精度。本发明利用windows良好的可扩展体系结构增加了一个实时子系统rtss，并修改和扩展了硬件抽象层hal，windows+rtx平台提高了控制系统的实时性。
附图说明
14.图1是三轴转台控制结构图；
15.图2是rtx的架构图；
16.图3是控制软件的分层构架体系图；
17.图4是realtime程序的整体流程图。
具体实施方式
18.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
19.本实施例提供一种基于三轴转台的高精度控制策略，使用三轴转台三环主控制器加交替最小二乘的摩擦力补偿副控制器的控制方法，根据三轴转台的实际控制情况，设计了三轴转台的硬件系统及控制软件，结合实际情况实现基于三轴转台的高精度控制策略，三轴转台控制结构图如图1所示，本发明具体步骤如下所示：
20.步骤1：搭建三轴转台控制系统：三轴转台控制系统由内环控制系统、中环控制系统和外环控制系统组成，并由一台工控机统一控制和管理，完成实时控制计算、控制单元的管理、故障检测及相关保护和人机交互等工作；三轴转台控制系统组成如下：
21.控制系统由内环控制系统、中环控制系统、外环控制和补偿控制系统组成，由一台工控机统一控制和管理。工控机配置cpu为i7，3.4ghz主频，配8g内存，完成实时控制计算、控制单元的管理、故障检测及相关保护和人机交互等工作。各轴控制系统由数控单元、功放单元、测角单元和电机组成。数控单元和功放单元完成对各轴电机的控制，测角单元由角速度传感器、圆光栅、读数头及其相应的测角线路组成，采集转台的角位置、角速度。同时，功放模块和ad转换模块采集电机的电流反馈值。
22.步骤2：设计三轴转台三环主控制器：在转台控制系统中在引入了电流负反馈、速率负反馈和位置反馈，分别设计基于三轴转台的电流反馈闭环、速率pid闭环和位置pid闭环控制，实现整个三轴转台的三环主控制；
23.步骤2中设计三环pid三轴转台主控制器如下：
24.系统各轴可以实现多种运行模式：角位置、角速率、摇摆等模式，电流环对减小电气时间常数、拓宽系统频带、减小驱动部件的死区起重要作用；速度环起进一步拓宽系统频带、提高速率响应速度、抑制电机力矩波动和干摩擦等对系统的影响的作用；位置环完成精密位置和精密速率控制。在系统中引入了电流负反馈、速率负反馈和位置反馈，由于功率放大器中引入了电流负反馈，一方面限制了电机的最大电流，更重要的是引入了电流负反馈，使控制电机的电压与控制电机的力矩成正比，从而实现通过控制电压直接对加速度进行控制。引入速率环可以增大系统的阻尼，提高整个系统的开环增益，使位置环具有较高的伺服刚度和较好的动态性能。
25.为减小系统的超调量，其中电流环、速度环和位置环均采用积分分离的pid控制，算法引入逻辑功能，调节器输出采样点值为：
[0026][0027][0028]
其中，k
p
，ki，kd，分别是pid算法的比例系数、积分系数和微分系数，e(j)是j时刻的系统误差，e(k)是当前时刻k的系统误差，其中速度环的系统误差是实际速度与反馈速度的差值，位置环的系统误差是实际位置与反馈位置的差值，k
l
为积分开关系数，a为积分门限，大偏差时，积分项不起作用，偏差在门限之内时，引入积分算法，这样既可以减少超调量，又可以使积分控制达到预期的效果。
[0029]
步骤3：设计交替最小二乘的摩擦力补偿副控制器：在三轴转台三环主控制器的基础上，为了对三轴转台的轴系摩擦进行补偿，采用交替最小二乘法拟合来逼近系统的摩擦力矩；
[0030]
步骤3中设计交替最小二乘的摩擦力补偿副控制器的设计如下：
[0031]
步骤3.1、在稳定状态下开环过程中采集转台不同角度的角位置、角速率、角位置误差、角速率误差、电流、对应的摩擦力矩和转速值数据；
[0032]
步骤3.2、采集当前闭环运行时的角位置、角速率、角位置误差、角速率误差、电流数据；当前的摩擦力矩和转速作为后续的待求解值；
[0033]
步骤3.3、选定交替最小二乘法的初始矩阵xm×k、yk×n和确定因子k，m为混合矩阵的行数，n为混合矩阵的列数；
[0034]
步骤3.4、将步骤3.1和步骤3.2所采集的数据组成样本数据混合矩阵rm×n，并将步骤3.2中待求解的摩擦力矩和转速值用缺省值代替；
[0035]
步骤3.5、构建混合矩阵平方误差损失函数，平方误差损失函数如下：
[0036]
l＝∑(r
ui-x
uyit
)2+λ(|xu|2+|yi|2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0037]
式中，r
ui
表示第u个样本对第i个转台运行数据的评分，xu表示样本u的偏好隐含特征向量，其中1≤u≤m，yi表示第i个转台运行数据的偏好隐含特征向量，其中1≤i≤n，λ为防过拟合系数。
[0038]
步骤3.6、令平方误差损失函数的偏导为0，分别解出xm×k和yk×n，可得：
[0039][0040][0041]
式中，xm×k＝∑xu，yk×n＝∑yi；i为单位矩阵。
[0042]
步骤3.7、通过下式重构混合矩阵，重构后的混合矩阵将之前步骤3.3中用缺省值代替摩擦力矩和转速值的数值，可获得当前的摩擦力矩和转速值：
[0043]rm
×n≈xm×k×
yk×nꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0044]
步骤4：使用遗传算法对交替最小二乘法的初始矩阵和确定因子进行寻优处理得到最优值；
[0045]
步骤4.1、选取初始种群，根据设定值对初始种群参数范围进行设置：将初始种群初始矩阵和确定因子最优解参数范围分别设为[0，100]、[0，7]，并在设定范围内随机生成规模为200的初始种群。
[0046]
步骤4.2、选取适应度函数：适应度函数通过对个体特征的判断从而判断个体的适应度，通过个体的适应度作为评价交替最小二乘法参数的好坏标准，将系统的力矩的动态偏差和电机转速偏差性能指标作为目标函数，从而将基于适应度函数描述为：
[0047][0048]
式中，e1(t)是力矩偏差，e2(t)是转速偏差，ω1、ω2为对应偏差的加权常数，t为时间。
[0049]
步骤4.3、选择遗传算子，利用轮盘赌选择法来确定从父代群体遗传到下一代的群体。轮盘赌选择法是利用整体种群中个体适应度值fitness与整体适应度值的比例，来确定被选择的概率，公式如下：
[0050][0051]
其中，p
i'
是个体i'被遗传选择的概率，fj是所有个体叠加的整体适应度值，f
i'
是个体i的适应度值。
[0052]
步骤4.4、交叉和变异操作，遗传算法通过交叉操作将两个互相配对的个体按照某种方式相互交换部分基因，将交叉概率设为0.74，采用两点交叉算法，从而形成两个新的个体。同时为提高局部搜索能力，将变异概率设为0.06，采用变异运算改变个体某些基因值来产生新的个体。
[0053]
步骤4.5、重复步骤4.2、步骤4.3和步骤4.4，直到新种群的产生，获得初始矩阵和确定因子最优解。
[0054]
步骤5、将遗传算法求得的初始矩阵和确定因子替换掉步骤3.3中随机初始化的初始矩阵和确定因子；循环步骤3.2至步骤3.7，将交替最小二乘法输出的转速值与pid的输出值相叠加，继而控制电机。
[0055]
本实施例还提供了一种三轴转台的控制软件的设计方法，转台控制软件是转台专用的控制软件，控制软件一方面要求具有通用功能和方便友好的界面，另一方面还必须具有很强的实时性，并兼顾转台控制任务调度、数据存储、用户交互界面和通讯功能；三轴转台的控制软件的设计流程如下：
[0056]
为了满足系统实时控制和实时通讯的需求，本发明的控制和通讯软件运行在windows平台上，采用labwindows/cvi开发软件，使用线程机制，线程主要完成网络通讯、命令解释、图形绘制、数字显示等人机接口功能。
[0057]
该转台控制软件(以下简称控制软件)是转台专用的控制软件。控制软件一方面要求具有通用功能和方便友好的界面，另一方面还必须具有很强的实时性。同时还兼顾了转台控制任务调度、数据存储、用户交互界面和通讯功能。控制软件是运行在windows xp(sp3)操作系统上的实时控制软件。由于实时控制对中断周期的时间稳定性要求很高，对于
基于消息机制的windows系统来说，并不能提供足够精确的定时和中断。为了提高windows操作系统的实时性能，本发明使用了intervalzero公司的windows平台实时扩展产品rtx，组成windows+rtx平台，rtx的架构如图2所示。
[0058]
rtx为了在windows操作系统下实现实时的特征，利用windows良好的可扩展体系结构增加了一个实时子系统rtss，并修改和扩展了硬件抽象层hal。通过扩展的实时hal，rtss使用自己的中断管理模式，windows线程和rtss线程之间隔离中断，所有的rtss线程调度优先级高于所有的windows的调度，并且rtss线程都能直接访问i/o设备。
[0059]
开发基于rtx的转台实时测控软件系统，首先对软件的各功能按照运行特性进行正确有效的划分。软件系统支持实时的数据输入输出、控制量计算；软件必须提供良好的用户界面，即能够方便输入数据、命令，又能清晰的显示运行情况，了解运行参数和状态。为了达到良好的运行控制特性，根据rtx的一般开发模型，构建了分层的测控软件系统。控制台和用户界面的显示、操控部分具有弱实时或非实时特性，需利用win32系统各种资源(如gui支持)，属于非实时部分(win32进程)。在系统特定的周期内，需要完成实时数据状态的采集、输出，因此，除实时计算外，还需对硬件进行相关的端口操作，这些工作属于实时部分(rtss进程)。因此，本系统的控制软件构架可分为两层：上层的人机交互部分和作为底层驱动的实时控制部分，控制软件的分层构架体系图如图3所示。
[0060]
其中wintcs使用微软公司的visual c++2008开发，运行于windows平台下。c++语言灵活多变，功能强大，而且实现简便，容易模块化继承，维护方便。而realtime.rtss则是使用c语言开发而成，运行于强实时的rtx环境下。wintcs和realtime.rtss是两个相对独立的进程，二者通过触发“事件”来进行通信，通过“共享内存”的方式进行数据交换，从而协调工作，提高系统的可靠性。
[0061]
在底层实时控制部分，利用硬件定时中断来触发采样控制，周期根据精度和性能要求可为200μs或500μs，采样控制功能在定时中断处理线程中完成，底层实时程序的整体流程如图4所示。
[0062]
在应用程序中，用户要对程序下达各种命令，进行各种选择，以期望应用程序能按用户的意图进行正确运行。应用程序也要在执行过程中，将运行状态随时反馈给用户，常用的方式是在界面上用图形、数字进行显示，或通过声音进行提示。该部分的功能在控制软件的上层弱实时部分实现，用户可以通过键盘、鼠标等操作终端来输入信息。
[0063]
当三轴转台出现损耗或出现较大误差时，上位机使用rs232串口通信和rs422通讯启动故障诊断模式。
[0064]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。