一种防止信号突变的步进式控制方法、控制器及工作方法与流程

1.本发明属于直升机驱动器伺服控制技术领域，涉及一种防止信号突变的步进式控制方法、控制器及工作方法。


背景技术：

2.主动控制后缘襟翼(acf)旋翼是一种新兴的、极具应用前景的直升机振动主动控制技术，受到直升机届的广泛关注。acf旋翼是在直升机旋翼桨叶的后缘上附加可以按给定规律作偏转运动的襟翼，通过对襟翼的控制来改变旋翼的气动力，从而减小桨毂交变载荷，达到降低机体振动水平的目的。在acf旋翼的研究中，智能材料驱动器的研究是关键问题之一,智能材料驱动器的形式很多，其中基于压电材料的压电驱动器如x型、菱形压电叠堆驱动器实现了全尺寸装机飞行演示验证。
3.在acf旋翼应用中，压电驱动器通常安装在桨叶0.7r附近，在驱动后缘襟翼挥舞运动的同时，还需承受桨叶的挥舞、摆振、扭转运动引起的3个方向的加速度以及旋翼旋转引起的巨大的离心力，因此压电驱动器生产厂商通过会给出一些使用要求，其中几条关键要求如下：
4.1)在离心力条件下，建议偏置电压信号采用爬升速度不大于xxv/s的斜坡信号。
5.2)对组合电压信号(偏置电压+正弦信号)，指令信号应满足1阶可导且连续的要求。
6.当指令信号不满足1阶可导且连续的要求时，其fft变换包含高频成分，这些频率可能使驱动器产生损坏，特别是当它与共振频率重合时。
7.后缘襟翼驱动器的控制信号可以用一系列谐波来表示：
[0008][0009]
上式中ω表示旋翼角速度，u
offset
表示偏置电压，n表示n/rev谐波，
[0010]
由于压电驱动器的工作电压范围常常偏向一侧，如-20～150v，因此在驱动压电驱动器按正弦信号激励时必须首先施加一个合适的偏置电压，因此在偏置电压的开始和结束时若不施加措施，则可引起驱动器的阶跃响应，严重的可能对压电叠堆造成损坏。
[0011]
此外，因压电材料迟滞效应的存在，以及acf旋翼不同桨叶后缘襟翼的协调控制，一般需要对压电驱动器施加伺服补偿控制，然而由于旋翼的挥摆扭运动，导致压电驱动器-后缘襟翼的反馈信号(驱动器位移、后缘襟翼角度等)即使在无控时也处在时刻变化中，使得闭环控制器在结束控制时输出的指令信号很难回到“0”，因此在闭环控制的结束阶段很容易出现阶跃，导致输出的指令信号不满足1阶可导且连续的要求。
[0012]
后缘襟翼控制系统通常包含两层控制器，外层为任务控制器，如减振、降噪，内层为驱动器伺服补偿控制器，因此指令信号通常存在如下几种工况：
[0013]
case1：外层开环+内层开环
[0014]
case2：外层开环+内层闭环
[0015]
case3：外层闭环+内层闭环
[0016]
case4：外层闭环+内层开环
[0017]
典型的驱动器期望指令信号如下所示，通常包含如下几个阶段：
[0018]
1)偏置电压
[0019]
2)偏置电压+正弦信号
[0020]
3)偏置电压
[0021]
4)结束控制，指令回0。
[0022]
其包含的几个不满足1阶可导且连续，可能使驱动器受到损坏的几个危险点如图3、4中红圈标注所示。
[0023]
常规的步进式控制算法针对的是单独的阶跃信号，在时域逐点控制时，实际输入指令为rin(k),采用步长如0.25的幅度变化，逐渐逼近输入指令rd，其在每个控制点判断是否需要步进的逻辑简单，通常为判断上一步实际输出指令是否小于rd-0.25，若小于，则继续步进0.25，否则直接输出rd。显然该常规方法不能满足偏置电压+正弦信号的指令情形。


技术实现要素：

[0024]
发明目的：提供一种防止信号突变的步进式控制方法、控制器及工作方法。本发明解决了偏置电压信号+正弦信号混合指令信号的时域逐点开环控制和闭环控制中可能出现的1阶不可导或不连续的问题，防止驱动器在恶劣环境下出现阶跃响应引起驱动器损坏。
[0025]
技术方案：
[0026]
一种防止信号突变的步进式控制方法统，对控制信号的状态改变时电压是否阶跃进行实时判断；当电压阶跃时自动修改实时信号的状态为步进状态，避免阶跃电压可能对驱动器压电叠堆造成损坏。
[0027]
前述的防止信号突变的步进式控制方法中，所述的控制信号的状态包括：偏置电压连续激励、正弦信号连续激励、0
→
偏置电压、偏置电压
→
偏置电压+正弦信号、偏置电压
→
0。
[0028]
前述的防止信号突变的步进式控制方法中，所述的0
→
偏置电压、偏置电压
→
偏置电压+正弦信号、偏置电压
→
0的实时判断过程如下：
[0029]
当控制信号输入满足如下条件时，实时输出信号为：上一步的输出信号+指定步长；若不满足则直接输出当前期望信号：
[0030][0031]
其中，du＝uin-uout；duoutm＝uoutm
–
uoutm2；
[0032]
vslop：斜坡信号爬升速度
[0033]
uin:步进控制模块第n步的指令输入
[0034]
uout:步进控制模块第n步的指令输出
[0035]
uoutm:步进控制模块第n-1步的指令输出
[0036]
uoutm2:步进控制模块第n-2步的指令输出
[0037]
dusinmax:正弦信号单步最大增量
[0038]
dt:信号采样时间间隔
[0039]
所设置条件不能在正弦信号连续激励和偏置电压连续激励状态下触发步进控制，因此，根据正弦信号的特点
[0040][0041][0042]
上式中，y表示随时间变化的电压信号，y
′
表示正弦信号变化的速度，a表示正弦信号的幅值，ω表示旋翼的基频，n表示频率的倍数，表示正弦信号的相位。
[0043]
若信号的最大电压范围为0v～bv，显然当信号不饱和时，可得到
[0044]
dusinmax＝b/2nω*dt*c
[0045]
上式中，b表示最大允许电压，c表示安全系数，防止信号饱和情况下的误判。
[0046]
应用前述的控制方法的步进式伺服补偿控制器，包括前级步进式控制模块，前级步进式控制模块与伺服补偿控制模块连接，伺服补偿控制模块经控制器开闭环开关与后级步进式控制模块连接，后级步进式控制模块与低通滤波器连接；所述的前级步进式控制模块包括步进控制单元，步进控制单元与调制单元连接，调制单元连接和混合单元连接，混合单元连接与伺服补偿控制模块连接；所述的步进控制单元用于消除控制信号的状态改变时的阶跃；所述的调制单元连接用于调制消除阶跃后的信号；所述的混合单元用于将消除阶跃后的信号混合并输出。
[0047]
前述的步进式伺服补偿控制器中，控制信号的状态改变包括0
→
偏置电压、偏置电压
→
偏置电压+正弦信号、偏置电压
→
0。
[0048]
前述的步进式伺服补偿控制器中，所述的前级步进式控制模块用于消除“偏置电压
→
偏置电压+正弦信号、偏置电压+正弦信号
→
偏置电压”状态转换引起的信号1阶不可导或不连续问题。
[0049]
前述的步进式伺服补偿控制器中，所述的后级步进式控制模块用于消除开闭环信号状态改变时的阶跃。
[0050]
前述的步进式伺服补偿控制器的工作方法，对给定的输入信号，将信号分解成稳态时域信号、各个频率谐波的正、余弦分量时域信号作为控制器的输入，控制器开闭环开关在控制器初始化时与伺服补偿控制模块相连，当需要结束控制时，将开闭环开关与“0”信号相连，即输入为0，回路开环。
[0051]
有益效果：与现有技术相比，本发明解决了偏置电压+正弦激励混合指令信号的时域逐点开环控制和闭环控制中的信号1阶可导且连续问题，控制效果如图6所示。
[0052]
本发明提出了一种指令信号满足1阶可导且连续要求的驱动器步进式伺服控制方法，适用于阶跃信号+正弦信号混合的时域逐点开环控制和闭环控制等多种情形下，算法通用性强，能够实时自动区分信号是否需要步进以及什么时候结束步进。以该步进式控制算法形成的驱动器步进伺服控制器则可满足acf旋翼应用中指令信号1阶可导且连续要求。
[0053]
本发明提出了一种防止信号突变的步进式控制方法，流程图如图2所示。该方法关键在于0
→
偏置电压、偏置电压
→
偏置电压+正弦信号、偏置电压
→
0几种状态转换过程的实时判断条件，条件|du|》dusinmax用于对电压开始阶跃时的判断，若为真，则输出信号转为步进信号。但若后续的步进阶段继续采用该条件，则会在步进结束时产生一个dusinmax大
小的阶跃，因此本方法在步进阶段增加判断条件：
[0054][0055]
条件表示上一步在执行步进控制，条件表示当前期望指令变化速度大于步进速度，当这两个条件同时成立时，当前步继续执行步进，因此本方法中的实时判断条件可实时判断信号是否阶跃并避免步进结束时产生dusinmax阶跃的问题。本方法能实时自动区分信号是否需要步进以及什么时候结束步进，消除信号的阶跃。
[0056]
本发明提出了一种步进式伺服补偿控制器，控制器框图如图1所示。通过前级步进式控制模块分别对信号的谐波正、余弦分量和稳态值进行步进控制，取得了“偏置电压
→
偏置电压+正弦信号、偏置电压+正弦信号
→
偏置电压”状态转换时信号1阶可导技术效果。若无该模块，在状态转变是信号1阶导将阶跃。后级步进式控制模块可保证“0
→
偏置电压、偏置电压
→
偏置电压+正弦信号、偏置电压
→
0”状态转换时的信号连续不阶跃。控制器开闭环开关与后级步进式控制模块可使得结束控制时输出的信号连续的回到0电压，若不在作动器结束工作时增加控制器开闭环开关，则控制器输出电压将不为0，其技术效果如图4所示。
[0057]
将图3所示激励电压通过步进式伺服补偿控制器，其控制效果如图6所示，控制输出指令相连两点的差值du如图5所示，由上述可知，本发明的步进式伺服补偿控制器能使得偏置电压+正弦信号混合指令1阶可导且连续。
附图说明
[0058]
图1为驱动器步进式伺服控制算法结构图；
[0059]
图2为步进控制模块流程图；
[0060]
图3为偏置电压+正弦信号可能存在的信号不连续示意图；
[0061]
图4为反馈信号“0”飘引起的闭环控制在结束时无法回“0”问题示意；
[0062]
图5为本发明控制器闭环控制实际输出指令1阶可导且连续示意；
[0063]
图6为本发明控制器闭环控制示意图。
具体实施方式
[0064]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0065]
实施例1。本实施例提出了一种步进式伺服控制算法，关键之处在于所设计的步进式控制算法，可实时区分如下控制信号信号状态：
[0066]
1)偏置电压连续激励
[0067]
2)正弦信号连续激励
[0068]
3)0
→
偏置电压
[0069]
4)偏置电压
→
偏置电压+正弦信号
[0070]
5)偏置电压
→0[0071]
仅在偏置电压阶跃时自动修改实时指令为步进，避免阶跃电压可能对驱动器压电叠堆造成损坏。
[0072]
为便于描述本算法，定义参数如下：
[0073]
1)vslop：斜坡信号爬升速度
[0074]
2)uin:步进控制模块第n步的指令输入
[0075]
3)uout:步进控制模块第n步的指令输出
[0076]
4)uoutm:步进控制模块第n-1步的指令输出
[0077]
5)uoutm2:步进控制模块第n-2步的指令输出
[0078]
6)dusinmax:正弦信号单步最大增量，可根据最大电压范围和最高激励频率确定。
[0079]
7)dt:信号采样时间间隔
[0080]
8)du＝uin-uout；
[0081]
9)duoutm＝uoutm
–
uoutm2
[0082]
步进式控制算法流程如图2所示，当指令输入满足如下条件时，实时输出指令为根据上一步的输出指令+指定步长，若不满足则直接输出当前期望指令。
[0083][0084]
所设置条件的关键在于不能在正常的正弦信号激励时触发步进控制，因此，根据正弦信号的特点
[0085][0086][0087]
若信号的最大电压范围为0～b，显然当信号不饱和时，可得到
[0088]
dusinmax＝b/2nω*dt*c
[0089]
上式中，c表示安全系数，防止信号饱和等情况下的误判。
[0090]
因此在期望指令信号偏置电压开始阶跃时，可通过条件|du|》dusinmax进行判断。但若后续的步进阶段继续采用该条件，则会在步进时产生一个dusinmax大小的阶跃，因此本方法在步进阶段增加判断条件：
[0091][0092]
条件表示上一步在执行步进，条件表示当前期望指令与前一步的输出之差大于步进幅度，当这两个条件同时成立时，当前步继续执行步进，避免了步进结束时产生dusinmax阶跃的问题。
[0093]
针对“偏置电压
→
偏置电压+正弦信号、偏置电压+正弦信号
→
偏置电压”转换可能引起的1阶不可导或不连续，通过步进控制模块对正弦信号的正余弦分量或幅值进行步进控制。
[0094]
针对旋翼旋转引起的反馈信号“0”飘问题，在结束控制时增加“驱动器闭环
→
驱动
器开环”转换模块，并通过步进控制模型防止信号阶跃。
[0095]
综上，可解决偏置电压+正弦激励混合指令信号的时域逐点开环控制和闭环控制中的信号1阶可导且连续问题的驱动器步进式伺服控制算法如图1所示。
[0096]
实施例2.对一副4片桨叶acf旋翼系统，其后缘襟翼驱动装置根据减振、降噪等任务需求，激励频率一般在0-5/rev，旋翼旋转频率为10hz，采用率10k。驱动器输出电压范围为-1～7.5v。给出偏置电压+正弦信号的期望指令为：
[0097]
y＝3+2sin(5ωt)
[0098]
期望指令电压随时间变化如图3所示，在第0.2s时开始施加偏置电压，在1s时施加偏置+正弦电压，第4s是转为偏置电压，第5s时电压回到0。期望信号将在如图中圆圈圈出来的几处状态转换点产生阶跃或1阶导不连续。
[0099]
将该期望指令通过本发明的步进式伺服补偿控制模块，仿真得到期望指令、步进伺服控制器实际输出指令、反馈指令如图6所示,控制器实际输出指令相连两点的差值du如图5所示，表明本发明给出的步进伺服控制器可满足偏置电压+正弦信号混合指令的1阶可导且连续要求。
[0100]
实施例3.一种防止信号突变的步进式控制方法，其特征在于，对控制信号的状态改变时电压是否阶跃进行实时判断；当电压阶跃时自动修改实时信号的状态为步进状态，避免阶跃电压可能对驱动器压电叠堆造成损坏。
[0101]
前述的控制信号的状态包括：偏置电压连续激励、正弦信号连续激励、0
→
偏置电压、偏置电压
→
偏置电压+正弦信号、偏置电压
→
0。
[0102]
前述的0
→
偏置电压、偏置电压
→
偏置电压+正弦信号、偏置电压
→
0的实时判断过程如下：
[0103]
当控制信号输入满足如下条件时，实时输出信号为：上一步的输出信号+指定步长；若不满足则直接输出当前期望信号：
[0104][0105]
其中，du＝uin-uout；duoutm＝uoutm
–
uoutm2；
[0106]
vslop：斜坡信号爬升速度
[0107]
uin:步进控制模块第n步的指令输入
[0108]
uout:步进控制模块第n步的指令输出
[0109]
uoutm:步进控制模块第n-1步的指令输出
[0110]
uoutm2:步进控制模块第n-2步的指令输出
[0111]
dusinmax:正弦信号单步最大增量
[0112]
dt:信号采样时间间隔
[0113]
所设置条件不能在正弦信号连续激励和偏置电压连续激励状态下触发步进控制，因此，根据正弦信号的特点
[0114][0115][0116]
上式中，y表示随时间变化的电压信号，y
′
表示正弦信号变化的速度，a表示正弦信
号的幅值，ω表示旋翼的基频，n表示频率的倍数，表示正弦信号的相位。
[0117]
若信号的最大电压范围为0v～bv，显然当信号不饱和时，可得到
[0118]
dusinmax＝b/2nω*dt*c
[0119]
上式中，b表示最大允许电压，c表示安全系数，防止信号饱和情况下的误判。
[0120]
应用前述的控制方法的步进式伺服补偿控制器，包括前级步进式控制模块，前级步进式控制模块与伺服补偿控制模块连接，伺服补偿控制模块经控制器开闭环开关与后级步进式控制模块连接，后级步进式控制模块与低通滤波器连接；所述的前级步进式控制模块包括步进控制单元，步进控制单元与调制单元连接，调制单元连接和混合单元连接，混合单元连接与伺服补偿控制模块连接；所述的步进控制单元用于消除控制信号的状态改变时的阶跃；所述的调制单元连接用于调制消除阶跃后的信号；所述的混合单元用于将消除阶跃后的信号混合并输出。
[0121]
控制信号的状态改变包括0
→
偏置电压、偏置电压
→
偏置电压+正弦信号、偏置电压
→
0。
[0122]
前述的前级步进式控制模块用于消除“偏置电压
→
偏置电压+正弦信号、偏置电压+正弦信号
→
偏置电压”状态转换引起的信号1阶不可导或不连续问题。
[0123]
前述的后级步进式控制模块用于消除开闭环信号状态改变时的阶跃。
[0124]
前述的步进式伺服补偿控制器的工作方法，对给定的输入信号，将信号分解成稳态时域信号、各个频率谐波的正、余弦分量时域信号作为控制器的输入，控制器开闭环开关在控制器初始化时与伺服补偿控制模块相连，当需要结束控制时，将开闭环开关与“0”信号相连，即输入为0，回路开环。