专利名称：用于机电飞行致动系统的集成上行采样器和对多速率控制器的滤波的制作方法
技术领域：
背景技术：
现在很多系统特别是复杂的航空电子系统利用多种成熟技术产品与新技术产品结合以产生新的系统。通常更经济的是使用现有的技术产品，而不是完全重新构建某物。重复使用技术节约了可以更好地用于系统的其他部分的工程资源，并且经常使产品更快地进入市场。重复使用技术节省了测试和校验的时间和资源，因为用于类似目的的已经合格的部分通常不需要很多测试循环来校验。反馈控制系统通常被用在闭环飞行控制系统和其他工业或商业产品中。一些众所周知的反馈控制系统包括超前滞后补偿器和PID或者比例积分微分反馈控制回路。超前滞后补偿器和PID反馈控制回路在本领域中公知用于稳定物理系统。飞行控制系统有时包括来自不同制造商的系统部件，其被组合以产生新的系统。 略有不同的设计规格和参数的系统部件被集成到新系统中时可能表现出不期望的运转情况(behaviour)。例如，从主计算机发送到闭环飞行控制系统的命令的采样频率可以被设计成选择的第一频率，以使得飞行员或主计算机具有充分的时间粒度完成平台的期望范围的空气动力学性能。然而，闭环飞行控制系统可以在更高的第二频率下运行，其被设计成在高速飞行期间以更精细的时间粒度快速调节控制面(control surface) 0当主计算机以第一频率发送命令时，闭环飞行控制系统立即根据来自主计算机的命令以闭环飞行系统的第二频率调节飞行控制面。当闭环飞行控制系统以比主计算机更高的频率或更快的采样率运行时，闭环飞行控制系统将必须等待命令之间的多个循环。这引起机电闭环飞行控制系统响应于来自主计算机的命令的周期性启动-停止行为。启动-停止行为表现得像平台上的“抬升锤(jack-hammer) ”并且以第一频率触发来自主计算机的命令的结构模式，这引起飞行控制系统表现出不期望的运转情况。由启动-停止行为触发的一种不期望的运转情况是产生被发送到飞行控制面的高电流尖峰(current spike)。当接收到命令时，更快的闭环飞行控制系统立即引起飞行控制面的致动，随后PID反馈回路试图将控制面稳定到命令中显示的数值。由闭环飞行控制系统引起的这种致动以高转换速率发生，该转换速率为闭环飞行控制系统的采样率。这潜在地导致在较长转换期间的全电流需求，其中控制面上具有负荷或者没有负荷。电流尖峰之后是可由飞行控制面使用的相对低电流的波谷。高电流尖峰及随后低电流需求的这种周期性需求从电力方面来说是低效的，因为它需要更大的电力系统为电流尖峰供电，并且还需要系统之间的更多配线。这些电流尖峰造成飞行控制面高度疲劳。例如，与可在闭环飞行控制系统上运行的典型命令相关的电流尖峰可以在飞行控制面上产生最大负荷。高负荷降低了部件的寿命，这要求更多的预定维修并减少了检修之间的任务量。由启动-停止行为引起的另一种不期望的运转情况是超前滞后或PID反馈回路可能不表现出经过闭环飞行控制系统的特定带宽频率的期望的40dB/十倍频滚降。这可能导致闭环飞行控制系统的潜在不稳定性。尝试衰减启动-停止行为通常导致相变增加，其可能产生系统中进一步的不稳定性。例如，命令路径上的双二阶滤波器(bi-quad filter)可以被用来使命令本身平滑，但可能引起不可接受的相位损失(Phase loss)。
发明内容
本发明描述了一种使用非线性和线性滤波的组合来集成多速率系统的系统和方法。在一个实施例中，描述了一种非线性地平滑从外部回路到内部回路中的高频控制的低频命令的方法。非线性上行采样器(upsampler)应用线性滤波来衰减经过特定带宽频率的命令，由此使内部回路控制能够提供对外部干扰的最大抵抗能力，而不牺牲对命令的高频衰减。在非限制性示例实施例中，算法从较低采样率计算机系统采样命令，并且在飞行致动器的闭环控制系统中产生较高采样控制。在一些实施例中，该系统和方法提供了具有经过闭环控制系统的特定带宽频率的40dB十倍频(decade)增益衰减的平滑快速性能，并减少了在对飞行控制系统稳定性裕度至关重要的频率处的相位损失。在一个实施例中，用于控制致动器的多速率系统包括增量命令限制器、超前滞后滤波器和前馈路径，增量命令限制器用于将来自第一控制系统的命令改变成用于第二控制系统的受限增量命令，超前滞后滤波器用于对受限增量命令进行滤波以衰减高频，前馈路径用于减少速率输出信号在低频处的相位损失。在一个实施例中，上行采样器包括用于计算来自第一控制系统的位置信号之间的差值的装置；用于基于第一控制系统和第二控制系统之间的采样率的比值将差值划分成增量位置信号的装置；以及用于以第二控制系统的采样率将增量位置信号添加到每个循环的位置信号中直到从第一控制系统接收到下一个位置信号的装置。已讨论的特征、功能和优点可以在本公开的各种实施例中单独实现，或者可以在其他实施例中被组合，其进一步的细节参考以下说明书和附图可见。
附图描述了使用集成的上行采样器和滤波器来集成用于机电飞行致动的多速率系统的系统和方法的各种实施例。下面提供了每个附图的简要描述。在每个图中具有相同参考数字的元件表示相同或者功能相似的元件。另外，参考数字的最左边的(多个)数位表示该参考数字最早出现的附图。图1是使用集成的上行采样器和滤波器来集成用于机电飞行致动的多速率系统的系统和方法的一个实施例中的飞行控制系统图；图2A是在使用集成的上行采样器和滤波器来集成用于机电飞行致动的多速率系统的系统和方法的一个实施例中具有集成上行采样器和滤波器的简化位置/速率闭环控制器图；图2B是在使用集成的上行采样器和滤波器来集成用于机电飞行致动的多速率系统的系统和方法的一个实施例中具有集成上行采样器和滤波器的位置/速率闭环控制器图；图3是图示说明在使用集成的上行采样器和滤波器来集成用于机电飞行致动的多速率系统的系统和方法的一个实施例中位置命令的上行采样器传递函数响应和相位的图表；图4是图示说明在使用集成的上行采样器和滤波器来集成用于机电飞行致动的多速率系统的系统和方法的一个实施例中对应于闭环控制系统的位置命令的上行采样器瞬时电流响应的图表；以及图5是图示说明在使用集成的上行采样器和滤波器来集成用于机电飞行致动的多速率系统的系统和方法的一个实施例中对应于闭环控制系统的多个示例位置命令的电流响应曲线的图表。
具体实施例方式以下具体实施方式
实质上仅是图示说明性质的，并不意欲限制本发明的实施例或者这些实施例的应用和使用。此外，不意欲受到在前述技术领域、背景技术、发明内容或下面的具体实施方式
中出现的任何明示或暗示的原理约束。现在参考图1，其描述了示例性飞行控制系统100。飞行控制系统100包括运载工具102(例如飞机)，该运载工具102具有飞行控制面104(例如副翼)，其位置由致动器 106(例如机电致动器)控制。致动器106或飞行控制面104与位置/速率反馈传感器108 通信，该位置/速率反馈传感器108例如为连接到致动器106的旋转传感器。位置/速率反馈传感器108允许飞行控制系统100获知飞行控制面104的精确位置、旋转角度和速率。 主计算机(MC) 110发送命令信号112来指示飞行致动器控制器或FAC 114将飞行控制面 104重新定位到特定的位置或旋转角度。通常位于航空电子设备间116中的FAC 114发送致动信号118给致动器106以移动飞行控制面104。在一些实施例中，致动信号118是传到另一个装置的电流或信号，从而供应电流到致动器106中以致动飞行控制面104。反馈信号 120从位置/速率反馈传感器108返回到FAC 114。在飞行控制系统100中，可能有主计算机110和飞行致动控制系统或FAC 114，主计算机110以第一采样率或频率发出与飞行相关的命令，飞行致动控制系统114以更快的第二采样率或更高的频率运行。例如，从主计算机110发送到飞行控制系统或FAC 114的命令的采样频率可以被设计为第一频率，其被选择以使得飞行员和主计算机110有充分的时间粒度来完成平台或运载工具102的期望范围的空气动力学性能。然而，FAC 114可以在更高的第二频率下运行，该更高的第二频率被设计成在高速飞行期间以更精细的时间粒度快速调节控制面104。由于两个系统部件即主计算机110和FAC 114之间的采样率或频率的差别，可能导致不期望的运转情况。例如，如果主计算机Iio在50Hz (赫兹)下运行，则主计算机110 将每秒50次地发送命令信号112以便为飞行致动器控制器或FAC 114更新致动器104的位置。然而，如果FAC114在2000Hz下运行，则FAC 114以2000Hz的频率操作飞行致动器 104。由于采样率或频率的这种差别，FAC 114将命令信号112视为来自主计算机110的相距40个循环的一系列阶梯位置命令。S卩，在FAC 114看到第一命令信号112之后，FAC 114 没有通过另外40个循环(2000Hz/50Hz)的命令信号112的变化看见控制面的位置变化。当 FAC114看见变化的下一个命令信号112时，它立即改变飞行控制面104的位置，并且接着为下一个命令信号112等待另外40个循环。2000Hz采样之间的最大增量应该是速率限值/2000。但是，它正在使用速率限值/50。因此，FAC114的响应到达主计算机114所期望的速率的40倍的速率。这一高速率命令在50Hz帧的第一个0. 006秒期间引起猝动(jerking)和全电流需求。致动器106的响应是猝动，之后随着位置速率误差朝稳定方向变化，致动扭矩被抑制。因此，向前猝动、慢下来、向前猝动、慢下来的运动以50Hz的频率发生。这有效地引起来自8Hz带宽的致动系统的 50Hz 的抬升锤动(jack-hammering)。在上行采样器之前，尝试用很多方法衰减抬升锤动，但是它们引起在l_2hz频率处的相位增加，其中主计算机110的稳定性裕度极其严格。例如，命令路径上的双二阶滤波器使“猝动”平滑，但引起在l-2hz处的不可接受的相位损失，这是主计算机系统110不能容忍的。将FAC命令114从50Hz的位置命令改变成50Hz的速率命令将消除抬升锤动，但主计算机110将需要闭合位置回路，且翻修完备的主计算机软件的费用将过高，需要数年的改编和校验，并且将具有比闭合位置回路的FAC114更差的稳健性。因此，需要一种消除抬升锤动、减少低频相位损失和保持负载下的快速响应的方法。上行采样器202、204、206 提供了这样的解决方案。现在参考图2A，其描述了具有集成上行采样器202、204、206的位置/速率闭环控制器200的简化图。上行采样器202、204、206由三个主要单元组成，即增量命令限制器202、 受限增量命令的超前滞后204和前馈路径206。位置/速率闭环控制器200接收来自另一控制器的命令信号112，例如来自主计算机Iio的位置命令212。增量命令限制器202将位置命令212内插到位置/速率闭环控制器200的采样率中并且将受限增量命令反馈到受限增量命令的超前滞后204。超前滞后滤波器204整形受限增量命令222以便衰减位置命令212中的高频分量 (例如大于系统的规定带宽)。前馈路径206产生减小低频(例如小于2Hz)处的相位损失的前馈速率命令226。超前滞后滤波器204和前馈路径206 —起执行位置/速率闭环控制器200的控制回路的超前滞后补偿，并且因此有时被称为超前滞后补偿器。上行采样器状态(upsampler state) 201将电流状态反馈到微分器或加法器205，该微分器或加法器被部分地用来将受限增量命令222限制到最大可容许命令。并且在受限增量命令204上的超前滞后中的加法器207产生经滤波的增量命令信号。微分器或加法器209比较经滤波的增量命令信号225和位置反馈信号228以得到位置误差信号227，该位置误差信号被放大器213 处理并放大以产生速率命令232。加法器211将速率命令232与前馈速率命令2 和速率反馈230相结合以产生速率输出信号205。功率放大器215根据速率输出信号205产生用于启动致动器106的脉冲宽度调制电流。一个或更多个椭圆滤波器、双二阶滤波器或低通滤波器2M有助于衰减来自位置/速率反馈传感器108的(多个)位置/速率信号中的噪声。现在参考图2B，其描述了位置/速率闭环控制器200的更详细示图以描述另外的特征。增量命令限制器202区分上行采样器状态214与来自主计算机110的最新接收的命令212以产生差值208，差值208的数值为未极化的绝对值。这一差值208被限制为不大于来自主计算机110的预期速率命令212的增量。对于小速率，在一个非限制性示例中被示为0.0001单位的偏差216被添加以防止迟缓运动。内插器220根据主计算机110 (50Hz)和 FACl 14 (2000Hz)的采样率的比值将差值208划分成更小的增量变化(此处被示为50/2500 或者0.025单位)。尽管系统被图示说明为具有采样率为计算机110的整数倍的FAC 114，但应注意可以使用其他比值。在一些实施例中，可以使用在1与两个系统之间的实际比值之间的比值。在一些实施例中，线性内插、对数内插和其他非线性内插方法可也被用来产生增量变化而不偏离本公开的范围。对于FAC 114的每个循环，增量命令222给其增加乘以0.025的差值208，使得在40个循环之后增量命令222具有等于由主计算机发送的命令212的位置值。上屈服变化量(delta upper yield)或DUY 210提供由非极化钳位器213使用的参考值以在需要时钳位增量命令222，从而防止增量命令222超过最大可容许位置变化。重极化器 (repolarizer) 221恢复增量命令的正的或负的极化并与非极化钳位器213相结合产生受限增量命令223。在一些实施例中，放大器203包括滞后函数215以防止最低有效位(LSB)颤振 (chatter)被引入速率命令。在一些实施例中，放大器203或功率放大器215中的钳位器 217防止速率命令超过可能在致动器106或运载工具106的其他结构上产生过大应力的幅值。在一些实施例中，功率放大器215包括速率脉冲宽度调制转换器219。现在参考图3，其图示说明了从位置命令到位置响应的传递函数响应的图表300。 上行采样器传递函数响应304示出相比非上行采样传递函数响应302的较大改进。非上行采样传递函数响应302几乎达到观察到抬升锤动(jack-hammering)的8Hz频率306附近的可接受的下限310，同时非上行采样传递函数响应302在高频下接近可接受的上限308。 上行采样器传递函数响应304在所有频率处都在可接受的下限310和可接受的上限308之间，并且还示出在较高频率处极大改善的滚降(roll-off)。在相位图320中，上行采样器传递函数响应304还示出改进的低频处相位响应。现在参考图4，其描述了在一系列位置命令410期间的上行采样器瞬时位置响应 400和上行采样器瞬时电流响应420的图表。如图所示，在一系列位置命令410期间，非上行采样位置响应402更快地加速，但花费更长的时间达到最终位置命令410的水平。上行采样位置响应404沿期望的响应斜率406更平稳地加速，并且在非上行采样位置响应402 之前达到最终位置命令410的水平。如图所示，在一系列位置命令410期间，随着致动器104首先加速并且之后减速， 非上行采样电流412来回摆动。在一点，非上行采样电流412甚至钳位(clip)，这意味着最大量的电流被施加到致动器104上。相比之下，上行采样电流414图示说明了更平稳的电量被施加到致动器104上。上行采样器瞬时位置响应400和上行采样器瞬时电流响应420图示说明了与具有上行采样器202、204、206情况下的平滑响应相比，在没有上行采样器情况下的响应的 “走-停”性质。此外，显而易见的是，在没有上行采样器202、204、206的情况下，系统需要更大量的可用瞬时电流，这意味着上行采样器202、204、206可以减小给致动器104供电所需的电力源的大小。此外，非上行采样电流412示出当需要反向电流给致动器104减速时的电力浪费。瞬时电流的这种振荡在图5中的上行采样器位置响应500、上行采样器电流响应 520和上行采样器脉冲宽度540的图表中被图示说明。与图4类似，在上行采样器位置响应 500中，响应于一系列位置命令410，上行采样位置响应404达到位置命令水平，而非上行采样位置响应402迟滞。在上行采样器电流响应520中，响应曲线图示说明了平滑的上行采样电流响应曲线414与振荡的非上行采样电流响应曲线412之间的差别。上行采样器脉冲宽度MO图示说明了致动器104的对应脉冲宽度调制。尽管本公开的一些实施例涉及飞行控制系统100，但是上述方法和系统还可以应用于一般的集成多速率控制系统。例如，当在制造过程中两个控制器利用不同的采样率时， 上行采样器202、204、206或者上行采样器202、204、206的多个部分可以在制造厂中被合并到工业控制系统中。在附图中示出的和以上描述的本发明的实施例是可在所附权利要求的范围内实现的多个实施例的示例。可以设想能够利用所公开的方法来构建使用集成的上行采样器和滤波器来集成多速率系统的系统和方法的多个其他配置。申请人的意图是由此产生的专利范围仅由所附权利要求的范围限制。
权利要求
1.一种用于控制致动器的多速率系统，其包括 增量命令限制器，其输出受限增量命令；超前滞后滤波器，其用于对所述受限增量命令进行滤波； 来自所述致动器的位置误差信号；第一加法器，其用于根据所述受限增量命令和所述位置误差信号产生速率命令； 前馈路径，其用于根据所述受限增量命令产生前馈速率命令；以及第二加法器，其用于根据所述速率命令和所述前馈速率命令产生速率输出信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多速率系统包括第一控制系统和第二控制系统，并且其中所述增量命令限制器将来自所述第一控制系统的命令内插到所述第二控制系统的受限增量命令中。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一控制系统具有第一采样率，并且所述第二控制系统具有不同于所述第一采样率的第二采样率。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一控制系统以所述第一采样率发送所述命令到所述第二控制系统，并且所述第二控制系统以所述第二采样率将所述命令内插到所述受限增量命令中。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述第二采样率是所述第一采样率的整数倍。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述超前滞后滤波器整形所述受限增量命令以衰减高频。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述前馈速率命令减少所述速率输出信号中在低频处的相位误差。
8.根据权利要求1所述的系统，其还包括 来自所述致动器的速率误差信号；以及其中所述第二加法器用于根据所述前馈速率命令、所述速率命令和所述速率误差信号产生所述速率输出信号。
9.根据权利要求8所述的系统，其还包括用于衰减来自所述致动器的所述速率误差信号中的噪声的低通滤波器；以及用于衰减来自所述致动器的所述位置误差信号中的噪声的低通滤波器。
10.根据权利要求1所述的系统，其还包括放大器，其用于将所述输出信号转换成用于致动所述致动器的脉冲宽度调制电流。
11.一种集成多速率控制系统的方法，其包括 以第一采样率接收命令位置信号；以第二采样率将所述命令位置信号内插到增量命令位置信号中； 对所述增量命令位置信号进行滤波以衰减所述增量命令位置信号中的高频； 将位置误差信号和所述增量命令位置信号相加以产生速率命令； 根据所述增量命令产生前馈速率命令以防止低频处的相位损失；以及将所述速率命令和所述前馈速率命令相加以产生速率输出信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中对所述增量命令位置信号进行滤波的所述操作和产生所述前馈速率命令的所述操作由超前滞后补偿器执行。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述内插操作包括计算所述命令位置信号和之前的命令位置信号的差值； 根据所述第一采样率和所述第二采样率之间的比值将所述差值划分成增量； 以所述第二采样率将所述增量添加到所述之前的命令位置信号以获得第一循环的所述增量位置信号；以及以所述第二采样率将所述增量添加到每个随后循环的所述增量位置信号，直到下一个命令位置信号被接收。
14.根据权利要求11所述的方法，其还包括 接收速率误差信号；以及其中所述相加的操作包括将所述速率命令、所述速率误差信号和前馈速率命令相加以产生输出信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其还包括对所述速率误差信号进行滤波以衰减所述速率误差信号中的噪声；以及对所述位置误差信号进行滤波以衰减所述位置误差信号中的噪声。
16.根据权利要求11所述的方法，其还包括 将所述速率输出信号转换成脉冲宽度调制电流。
17.根据权利要求16所述的方法，其还包括将所述脉冲宽度调制电流施加到与所述多速率控制系统相关的致动器上。
18.一种用于修改多个控制系统之间的命令的上行采样器，其包括用于计算来自第一控制系统的第一命令位置信号与第二命令位置信号之间的差值的装置；用于根据所述第一控制系统的第一采样率和第二控制系统的所述第二采样率之间的比值将所述差值划分成增量命令的装置；用于以所述第二采样率将所述增量命令添加到所述第一命令位置信号以获得第一循环的增量位置信号的装置；以及以所述第二采样率将所述增量命令添加到每个随后循环的所述增量位置信号直到第三命令位置信号被接收的装置。
19.根据权利要求18所述的上行采样器，其中所述第一控制系统以所述第一采样率发送所述第一命令位置信号到所述第二控制系统，并且所述第二控制系统元件以所述第二采样率将所述命令内插到所述增量位置信号中，并且其中所述第二采样率是所述第一采样率的整数倍。
20.根据权利要求18所述的上行采样器，其中所述上行采样器被集成到所述第二控制系统的控制回路中，并且其中所述第二控制系统的所述控制回路使用增量位置信号控制物理装置。
全文摘要
本发明涉及用于机电飞行致动系统的集成上行采样器和对多速率控制器的滤波，并描述了一种使用集成上行采样器和滤波器来控制多速率控制系统中的致动器的系统和方法，其包括增量命令限制器、超前滞后滤波器和前馈路径，增量命令限制器用于将来自第一控制系统的命令改变成第二控制系统中的受限增量命令，超前滞后滤波器用于对受限增量命令进行滤波以衰减高频，前馈路径用于减小速率输出信号在低频处的相位损失。在实施例中，在第一控制系统的采样率下接收的命令位置信号被内插到第二控制系统的采样率下的增量命令位置信号中。来自被控制的装置的位置误差信号和速率误差信号被用作反馈以进一步稳定控制回路。
文档编号H03H11/12GK102437834SQ20111030295
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者D·C·卡莫伦 申请人:波音公司