差动式双余度舵机的安全优化控制方法与流程

本发明属于舵机控制领域，特别是涉及一种适用于差动式双余度舵机的差速控制方法。

背景技术

采用多重安全余度策略是提升导弹舵机的可靠性、安全性的重要手段。近年来，差动机构因为其具有多输入单输出，部分机构冗余、不存在力纷争等安全性能特点，开始运用在多余度舵机上，如公开号cn104850036a的专利《一种双冗余电动舵机控制系统及方法》，采用差动周转轮系减速机作为冗余驱动机构，但在控制上两电机输入并不同时工作，一个电机工作时，另一个电机作为冷备份；公开号为cn106321770a的专利《一种双余度电动舵机》采用行星差动轮系作为冗余驱动机构，但采用两电机等比例驱动互为热备份方式。目前，采用冗余驱动式的电动舵机虽然实现了双余度，但是其差速控制策略仍鲜有研究。公开号cn102412657a的文献《机械协调冗余容错驱动装置》表明，当差动输入的电机速度大小相近，方向相反时，输出为低速输出，此状态运用在舵机上，可以有效防止低速下舵面的抖动和爬行。差动式舵机同样的速度输出可以通过无数种速度输入组合来实现，通过对两电机不同输入速度的规划，可以实现功率分配，差速低速输出等特性，有效提高舵机的安全工作性能。在差动式双余度舵机的控制上，仍然有很大程度上的优化空间。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：为了进一步提高舵机的安全工作性能，本方法通过全局优化方法设计优化指标，根据实际舵机的工况调整电机的速度指令分配策略，获得差动式双余度舵机正常工作状态下的安全可靠最大化。

本发明的技术方案是：

一种差动式双余度舵机的安全优化控制方法：舵机上的控制器通过总线接收弹上计算机的舵偏指令信号，通过传感器获得舵偏速度反馈，两电机转速反馈与电流反馈，根据实际舵机的工况调整电机的速度指令分配，发送两电机的控制指令。

舵机上的控制器通过接收的舵指令ωd，电机1和电机2的速度反馈ω1和ω2，电机1和电机2的电流反馈i1和i2，建立以差速运动机构转速ωc为自变量的性能指标表达式h(ωc)，通过两电机的速度极限求取差速运动轴的转速ωc的取值范围，并在ωc的取值范围内求取minh(ωc)对应的最后通过转速关系反解电机的对应期望速度ω1d和ω2d。

定义性能指标h，令其中k1～k4为权重参数，n为常数，w1＝ke1i1ω1，w2＝ke2i2ω2，其中ke1，ke2分别为电机1，电机2的力矩常数。

ω1d和ω2d通过公式计算，其中i1和i2为差速机构速度合成的传动参数。

本发明的有益效果：

(1)本发明的控制策略在冗余驱动舵机的应用上具有通用性。本发明适用于多种差动式双余度舵机，从运动连带关系的角度都可以将差速机构划分为四个部分：速度输入机构1，速度输入机构2，差速运动机构，速度输出机构。通过传动关系和能量守恒折算相应机构的等效惯量和等效转速，建立通用的差动式双余度舵机控制模型。

(2)本发明的控制策略能根据舵机的运行状态选择合适的差速运动策略，提高了舵机的安全工作性能，结合性能评价指标h进行说明，包括以下几个方面：

当导弹高速飞行时，舵面处于大负载低转速状态，此时对指标影响主要为k1w1、k2w2项，将指标最小化有利于均化电机的负载，提高安全性和可靠性。

当舵面负载较小时，需要舵机具有快速响应的能力。此时对指标影响最大为k3t项，将指标最小化有利于让电机输入速度达到同比，提高舵面转速和响应速度。

当舵面负载不大但要求高精度的条件下，对指标影响最大为项，将指标最小化有利于让两电机以大小相近，方向相反的速度工作，获得低速高精度输出、舵面小回差换向、抑制抖动等优良特性。

附图说明：

图1为冗余驱动差速机构示例。

图2为冗余驱动舵机控制系统示意图。

图3为全局优化控制策略控制流程图。

图4为几种特征曲线示意图。

具体实施方式

实施例：

本方法适用于多种冗余驱动舵机，以下结合图1的示例进行说明：图1中，左右锥齿轮进行速度输入，则左右锥齿轮分别为速度输入机构1，速度输入机构2；左右锥齿轮的速度差驱动上下锥齿轮进行转动，上下锥齿轮为差速运动机构；左右锥齿轮的平均速度驱动直齿轮和输出轴转动，直齿轮和输出轴为速度输出机构。根据传动关系，建立四根轴：输入轴1、输入轴2、差速运动轴、输出轴，如图1所示。其转速分别设为ω1、ω2、ωc、ωo，根据质量惯性等参数分别求取其等效转动惯量j1、j2、jc、jo。其转速满足传动关系：

ωc＝i1ω1-i2ω2(1)

同时也满足能量等效关系：

其中i1，i2为冗余驱动机构速度合成的传动参数，在图1中，i1＝i2＝1。

到此，将具体的传动机构抽象为普遍的，通用的冗余驱动差速机构。结合图2的冗余驱动舵机控制系统示意图对此进行分析。与一般的非冗余舵机不同，根据机构的冗余特性，要达到期望的舵轴输出ωo，有无数种速度输入ω1、ω2可以满足要求。因此在策略上具有调节的余地，使舵机处于最优的控制状态。综合考虑机械能输出，充分利用差速获得高精度，平衡电机之间的功率分配，设计如下性能指标：

其中k1～k4为权重参数，n为常数，w1，w2分别为电机1与电机2的功率。可以通过电机的电流反馈结合速度反馈来估计：w1＝ke1i1ω1，w2＝ke2i2ω2，其中ke1，ke2分别为电机1，电机2的力矩常数。h的值越小表征舵机的控制状态越好，因此需要在可行解范围内求取h的最小值，具体的实施流程如图3。

首先，控制器接收弹上舵指令ωd，采集两电机电流和电压，计算电机功率w1，w2。通过电机的特性曲线，可得到电机的状态下运行速度的上下限，设电机1的运行速度范围为[ω1min,ω1max],电机2的运行速度范围[ω2min,ω2max]，由运动关系(1)式、(2)式：

求取ωc的取值范围u＝[ωcmin,ωcmax]，值得注意的是，u可能是空集，表示电机需要过载运行才能到达期望速度，此时直接给定电机最大输出。

其次，计算性能指标h的最小值。由式(1)，式(2)有

式(5)、式(3)代入式(4)得到性能指标h的表达式：

如果将w1，w2，ωd视为已知量，j1、j2、jc、jo为常数，则性能指标h在这个时刻仅为ωc的函数，记为h＝h(ωc)。对ωc求导，得：

其中：b＝2k4，

如图4，曲线有几种特征形状，对应h(ωc)不同的极值情况，a≥nb时，h(ωc)曲线只有一个极小值点；0<a<nb时，h(ωc)曲线可能有两个极小值点，因此采取以下策略：

1)若a≥nb，则h(ωc)曲线只有一个极小值点，在取值区间[ωcmin,ωcmax]内以ωcmin为初值用牛顿迭代法数值求解得到解ωc1。比较h(ωcmin)，h(ωc1)和h(ωcmax)的大小，求取[ωcmin,ωcmax]区间上h(ωc)的最小值点

2)若0<a<nb，则在取值区间[ωcmin,ωcmax]内分别以ωcmin、ωcmax为初值用牛顿法数值求解得到解ωc1、ωc2。比较h(ωcmin)，h(ωc1)，h(ωc2)和h(ωcmax)的大小，求取[ωcmin,ωcmax]区间上h(ωc)的最小值点

最后，将代入式(6)，得到分配给两电机的最优指令速度：

控制器分别以ω1d、ω2d为电机1和电机2的指令速度，对电机进行伺服控制。