一种基于三轴转台的高精度控制策略制造技术

本发明专利技术提出了一种基于三轴转台的高精度控制策略，首先采集三轴转台的角位置、角速度、电机的电流反馈值；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；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；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；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。本发明专利技术提高了三轴转台的系统精度。发明专利技术提高了三轴转台的系统精度。发明专利技术提高了三轴转台的系统精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三轴转台的高精度控制策略


[0001]本专利技术涉及转台控制领域，特别涉及一种基于三轴转台的高精度控制策略。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
专利技术内容
[0004]本专利技术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。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：
[0006]一种基于三轴转台的高精度控制策略，包括以下步骤：
[0007]步骤1、采集三轴转台的角位置、角速度、电机的电流反馈值；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：
[0013]本专利技术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。本专利技术利用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
[0014]图1是三轴转台控制结构图；
[0015]图2是RTX的架构图；
[0016]图3是控制软件的分层构架体系图；
[0017]图4是RealTime程序的整体流程图。
具体实施方式
[0018]下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的介绍。
[0019]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，本专利技术具体步骤如下所示：
[0020]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：
[0021]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。
[0022]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；
[0023]步骤2中设计三环PID三轴转台主控制器如下：
[0024]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。
[0025]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
，K
i
，K
d
，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、采集当前闭环运本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三轴转台的高精度控制策略，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、采集三轴转台的角位置、角速度、电机的电流反馈值；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的基于三轴转台的高精度控制策略，其特征在于，电流反馈闭环、速率PID闭环和位置PID闭环均采用积分分离的PID控制，调节器输出采样点值为：环、速率PID闭环和位置PID闭环均采用积分分离的PID控制，调节器输出采样点值为：其中，K
p
，K
i
，K
d
，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。3.根据权利要求1所述的基于三轴转台的高精度控制策略，其特征在于，设计交替最小二乘的摩擦力补偿副控制器，具体步骤如下：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；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；步骤3.3、选定交替最小二乘法的初始矩阵X
m
×
k
、Y
k
×
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；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R
m
×
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；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：L＝∑(R
ui
‑
X
u
Y
iT
)2+λ(|X
u
|2+|Y
i
|2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中，R
ui
表示第u个样本对第i个转台运行数据的评分，X
u
表示样本u的偏好隐含特征向量，其中1≤u≤m，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙家庆，赵旭东，陈选，韩宁，常振鑫，刘赓，
申请(专利权)人：南京晨光集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：