一种多参数测试仪器多模式宽速率无缝切换方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种多参数测试仪器的模式切换控制方法。
【背景技术】
[0002] 多参数测试仪器全称为高精度惯性器件多参数测试仪器，是仿真转台的进一步发 展，在仿真转台的基础上集成了巧螺仪与加速度计。其机构包括基座、框架、精密轴承、转 轴、法兰盘、滑环、电机等，电气部分包括控制单元、电源模块、功率单元、显示模块、接口模 块、机柜等，工作过程主要是在控制单元的控制下，由大功率力矩电机提供驱动力，进行多 轴的精密回转运动。滑环完成多模信号同步随动传输、电机提供驱动力矩，控制单元进行高 精密多模式控制，其主要作用是光纤、激光、机械、捷连惯组多模测试与标定。控制单元是多 参数测试仪器的电气控制主体，包括多模态激励、驱动、测角、多模信号传输、高精度宽速率 控制等模块，其中高精度宽速率控制与无缝切换是支撑控制单元的关键技术。
[0003] 多参数测试仪器的应用对象较多，根据多参数测试仪器的性能指标要求， 多参数测试仪器需具有良好的位置精度要求、精确的低速特性和较宽的速率范围 (0. 0001-200° /s)。由于运动控制卡忍片接收编码器脉冲数时，具有最大频率，受到运个最 大频率的限制，编码器的细分倍数不能是恒定的，是需要变化的。针对多参数测试仪器的宽 速率范围要求，编码器细分倍数的变化将导致仪器分辨率，尤其是反馈特性的改变，进而影 响控制策略的有效性。测试仪器多模式宽速率高精度的指标特性客观要求控制策略能够进 行自主无缝切换，W适应多参数测试仪器的特殊性能需求，而多参数仪器的运行特性导致 没有一种普遍适用的控制策略能够在多模式，宽速率范围内对仪器进行有效控制。
[0004] 目前，多参数测试仪器的工作模式切换包括两个步骤：（1)切换仪器的分辨率； (2)对控制策略简单调整参数。现有方法存在如下=个问题：（1)在低速与高速切换时系统 抖振明显；（2)不同工作模式下使用同一种控制策略，无法根据系统的工作状态来达到最 优控制；（3)系统切换过后无自适应调整过程，在不同工作环境下适应性不好。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种多参数测试仪器多 模式宽速率无缝切换方法，该方法克服了多参数仪器模式切换时系统抖振明显，对多工作 模式在恶劣环境下适应性差的问题，能够满足多参数仪器多模式高精度宽速率无缝切换的 要求。
[0006] 本发明的技术解决方案是：一种多参数测试仪器多模式宽速率无缝切换方法，包 括如下步骤：
[0007] (1)将多参数测试仪器的速率范围进行nl等分，得到nl个速率区间，同时将多参 数测试仪器的工作方式与nl个速率区间进行两两任意组合，共得到3nl种工作模式；所述 的工作方式包括速率工作方式、位置工作方式、动态仿真工作方式；
[0008] nl个速率区间分别为：
[0009]
[0010] 其中：
M为多参数测试仪器的带宽，n为多参数测试仪器的线 数，k为细分倍数。
[0011] (2)建立多参数测试仪器的控制策略库；所述的控制策略库由控制策略构成，控 制策略包含控制率与模糊自调谐器的组合，所述的模糊自调谐器对控制率进行自适应调 整；所述的控制率对多参数测试仪器在确定工作模式下的运行进行控制，为滑膜控制率；
[0012] (3)建立多参数测试仪器的模型，对于步骤（1)的3nl种工作模式，采用计算机仿 真的方式对步骤（2)中控制策略库的每一条控制策略进行逐一验证，查找到能够满足要求 的工作模式与控制策略的组合，并将组合写入准模式切换查找表；
[0013] (4)利用多参数测试仪器对准模式切换表进行实际验证，找出每一种工作模式下 唯一的最优的控制策略，并写入模式切换查找表；
[0014] (5)在多参数测试仪器实际运行过程中，根据多参数测试仪器的实际工作模式，查 找模式切换查找表，并根据模式切换查找表选择最优控制策略进行无缝切换控制。
[0015] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0016] (1)本发明根据多参仪器运行状态、指标要求与控制策略的相关性，通过经过事先 验证的模式切换查找表选择最优的控制策略，解决了多参仪器不同工作模式下使用同一种 控制策略，无法根据系统的工作状态来达到最优控制的难题；
[0017] (2)本发明方法结合仪器当前工作状态、性能指标、最优模式切换查找表来选择最 优控制策略，使仪器系统时刻处于最优工作状态，可W在多模式下有效的实现仪器系统的 性能指标要求，最大限度的发挥仪器系统的性能，保证多参仪器对各种测试环境的适应性， 方法简单、有效、切换智能，适应性强，自动化程度高； 阳01引 （3)本发明方法利用事先验证过的存储在内存中的模式切换查找表进行控制策略 切换，方法简单，实时性好，切换准确、可靠，可W充分利用事前验证切换策略的有效性，可W充分利用已有先验的知识，出错几率可W人为降到最低，切换过程接近于实际情况；
[0019] (4)本发明方法充分考虑了采用其它智能算法进行控制策略切换会产生的不确定 性，无预知性，利用该查找表进行模式切换，切换过程精细、快速、准确，使切换过程无缝衔 接，保证了仪器在多工作模式及恶劣工作环境下的性能指标不降低，通过大量的预先验证 可W保证切换过程准确、可靠。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明方法的流程框图；
[0021] 图2为本发明模式切换查找表建立流程图；
[0022] 图3为本发明控制策略仿真控制结构图。
【具体实施方式】
[0023] 为了兼容位置精度和速率精度的不同特性要求，需要一种优良性能的控制策略与 控制方法。无缝切换主要解决多模式（位置和速率），高精度宽速率的控制问题。无缝切换 技术包括：在保证速率精度的条件下，高速率与低速率之间的平滑切换；根据惯性器件的 测试要求，在运行模式（位置、速率、伺服）之间的良好切换。
[0024] 近年来测试仪器的功能不断扩展，运对其控制系统地适应性提出了更高的要求， 控制系统的软硬件性能不断提高W及各种先进控制算法如：滑膜控制、模糊控制的不断成 熟，为在多参数仪器控制系统方案设计中采用复杂控制策略创造了条件，进而为复杂的控 制策略设计提供了基础。
[00巧]本发明的原理是：多参数仪器的控制策略不能仅采用一种，同一种控制策略对于 多参数仪器不同工作模式及运行速率、精度要求不能做到同时满足。而多参数仪器在一次 工作中须完成多项任务。因此可根据多参数仪器在某时刻的任务需求选择经过验证的最优 控制策略，而在控制策略选定后，根据速率范围及精度要求使用多种不相关自调谐方法对 具体控制律进行自适应调整。总体而言，该方法先根据系统工作状态选择控制策略，然后根 据性能指标自适应调节控制律，达到对多模式，宽速率、高精度等任务要求的无缝切换。 [00%] 如图1所示，本发明多参数测试仪器多模式宽速率无缝切换方法步骤如下：
[0027] (1)建立系统工作模式表。
[0028] 多参数测试仪器按功能分为=个工作方式：速率工作方式、位置工作方式、动态仿 真工作方式。仪器的速率是系统在=种工作模式下进行模式再细分的重要指标，因为它与 仪器的带宽、分辨率有密切的关系。换句话说，仪器的带宽、仪器的分辨率决定了仪器的最 大可运行速率。如果仪器的最大运行速率超出了由仪器带宽及仪器分辨率所决定的可运行 速率范围，则必须对仪器的模式进行切换。因此，仪器的运行速率是进行更精细的模式切换 的关键指标。
[0029] 根据仪器对象编码器线数、当前细分倍数及仪器带宽，速率范围划分按如下公式 进行：
[0030]
[0031] 式中，V表示仪器运行速率，M表示仪器带宽，n表示编码器线数，k表示细分倍数， 仪器分辨率为nXk，由上式可W计算系统最大速率。例如，编码器的线数是23600线，当细 分倍数为1000倍时，系统带宽只有10M脉冲/s，此时速率能达到的最大值是152°/s;当 细分倍数为500倍时，此时速率能达到的最大值是304° /s。
[0032] 本发明中系统的速率范围划分时，按照系统带宽等距划分，假设系统带宽为M，系 统速率范围划分为nl，则速率间隔采用下式计算：
[0033]
[0034] 系统的速率划分按下式计算：
[0035]
[0036] 根据多参数测试仪器工作方式及速率范围的划分，就可W构建系统模式组合并导 出系统工作模式表。系统工作模式表的生成如图2所示。本例中为了保证多参数测试仪器 能够针对不同速率段进行控制策略切换，将速率段划分如下：〇. 0001-100° /s(超低速）， 100-200°/s(低速），200-300°/s(中速），300°/s(高速上。由此可得系统的十二 种工作模式：速率高速、速率中速、速率低速、速率超低速、位置高速、位置中速、位置低速、 位置超低速、动态仿真高速、动态仿真中速、动态仿真低速、动态仿真超低速。
[0037] (2)建立拟采用的控制策略库。
[0038] 控制策略库包含控制率库与模糊自调谐器库，二者的任意组合构成一条控制策 略。模糊自调谐器可对控制率进行自适应调整，提高具体控制策略的适应能力。控制策略 由控制律生成，同一种控制算法由不同的控制律将生成不同的控制策略，控制性能差别也 很大。模糊自调谐器的作用是对控制策略的参数根据环境情况进行自适应调整，将增强具 体控制策略对变化环境的适应能力。
[0039] 朗骨膜控制及模糊自调谐器为例，由控制率库与模糊自调谐器库生成的控制策略 库如图2所示，具体生成方法如下：
[0040] 根据滑膜控制原理，采用的趋近率不同将导致滑膜控制率趋近运动的具体轨迹不 同，不同的趋近率对改善趋近运动的动态品质效果不同。本例中采用的趋近率库包括等速 趋近率、指数趋近率、幕次趋近率、一般趋近率。
[0041] 模糊逻辑自适应调谐器是一个映射关系集合，考虑到算法的实时性，模糊逻辑 自适应调谐器的结构应尽量简单。本例中使用的模糊自适应调谐器具有如下形式：设s(k)为输入，q(k)为输出，映射关系为：Hq:s化)-〉q化)。模糊自调谐器过程如下：首先建 立模糊自调谐器的输入输出划分，输入划分包括Jm=INL，NB，醒，Z0,PM，PB，化}、J1。= {NB,NM，Z0,PM，PB}，Jm= (NM，Z0,PM}，输出划