提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的調(diào)試方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)屬于測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的調(diào)試方法，目的是解決現(xiàn)有轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)魯棒性差的問題。該系統(tǒng)包括上位控制器、下位控制器、邏輯切換電路、功率放大器、電機、強電及切換保護電路、傳感器和電源模塊。基于該轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的調(diào)試方法，包括初始化、向速度環(huán)輸入階躍信號、判斷是否需要增大速度環(huán)增益、向位置環(huán)輸入階躍信號和調(diào)整速度環(huán)增益、位置環(huán)增益和反饋增益六個步驟。相比較傳統(tǒng)的PID控制策略，本發(fā)明專利技術(shù)的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)提高了轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的魯棒性。提出的調(diào)試方法，結(jié)合了上位控制器的友好操作接口，將關(guān)鍵反饋變量及理論值顯示作為調(diào)試依據(jù)，保證轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)。

Turntable control system for improving robustness of turntable and debugging method based on the system

The invention belongs to the technical field of testing, in particular to a turntable control system for improving the robustness of a turntable and a debugging method based on the system. The system comprises a host controller, a lower controller, a logic switching circuit, a power amplifier, an electric motor, a strong current and switching protection circuit, a sensor and a power supply module. The debugging method of the turntable control system based on, including initialization, to speed loop input step signal, to determine whether to increase the speed loop gain, to the position loop input step signal and adjust the speed loop and position loop gain and gain feedback gain of six steps. Compared with the traditional PID control strategy, the turntable control system improves the robustness of the turntable control system. The debugging method is proposed, which combines the friendly operation interface of the host controller, and displays the key feedback variables and the theoretical values as the basis of the debugging.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于測試
，具體涉及一種提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的調(diào)試方法。
技術(shù)介紹
慣性儀器是一種極其精密的儀器，主要包括陀螺儀和加速度計，兩者都是慣性導航系統(tǒng)或慣性制導系統(tǒng)中不可缺少的核心器件。其中，陀螺儀用來檢測運載器在慣性空間中的角運動，加速度計用來檢測運載器運動時的比力，并進而解算出運動信息。慣導測試設(shè)備(既轉(zhuǎn)臺)則是評價慣性儀器的工具。轉(zhuǎn)臺為慣性器件及導航系統(tǒng)測試提供精確的角位置定位、精密的角速度等姿態(tài)模擬運動，是一種導航/制導系統(tǒng)、傳感器的重要測試設(shè)備。以三軸轉(zhuǎn)臺為例，如圖1所示，通常由負載安裝空間1、內(nèi)環(huán)2、內(nèi)環(huán)軸3、中環(huán)4、中環(huán)軸5、外環(huán)6、外環(huán)軸7和底座8組成，每個控制回路均包括：環(huán)架動力學結(jié)構(gòu)、電機與功率驅(qū)動系統(tǒng)、角運動傳感器及測量系統(tǒng)、伺服控制器及控制單元。其中：運動伺服控制器接收測量反饋信號，并構(gòu)成相應的閉環(huán)伺服系統(tǒng)；控制單元接收外部指令或內(nèi)部產(chǎn)生相應的運動軌跡。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺控制方法普遍采用PID控制方法，分為位置PID控制和速度PID控制，對于實際的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，速度信號是通過對位置信號的數(shù)字微分得到的，采用高精度的測角元件獲取位置信號。由于轉(zhuǎn)臺在實際工作中是一套非線性系統(tǒng)，決定轉(zhuǎn)臺性能的因素往往是系統(tǒng)中的非線性因素，例如軸系摩擦力矩、電機波動力矩以及測量元件的量化效應對轉(zhuǎn)臺性能指標都有很大影響，為此，提高轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)魯棒性顯得尤為重要。對于控制系統(tǒng)來說，一方面，控制律設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到控制系統(tǒng)性能的高低，另一方面，控制參數(shù)的準確與否
也關(guān)系到控制系統(tǒng)性能的好壞。對于PID控制算法需要的參數(shù)，系統(tǒng)調(diào)試人員往往不能夠準確把握，更多依靠個人經(jīng)驗來調(diào)試，缺乏一套可以量化的技術(shù)手段來輔助調(diào)試，是轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是解決現(xiàn)有轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)魯棒性差的問題，提供一種提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的調(diào)試方法。本專利技術(shù)是這樣實現(xiàn)的：一種提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，包括上位控制器、下位控制器、邏輯切換電路、功率放大器、電機、強電及切換保護電路、傳感器和電源模塊，上位控制器分別與下位控制器和強電切換保護電路連接，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)實時在線性能檢測及安全保護，為用戶提供友好的操作接口，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺各框進行操作控制；下位控制器還分別與邏輯切換電路和傳感器連接，在上位控制器的控制下，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺位置、速度的控制；邏輯切換電路還分別與功率放大器連接，實現(xiàn)強電的切入和硬件的邏輯控制信號的切換；功率放大器還與電機連接，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；電機安裝在轉(zhuǎn)臺的內(nèi)框、中框和外框上，帶動轉(zhuǎn)臺的內(nèi)框、中框和外框轉(zhuǎn)動；傳感器安裝在電機的轉(zhuǎn)子上，用于采集電機轉(zhuǎn)子的位置信息；強電及切換保護電路還與三個功率放大器連接，切斷或連通三個功率放大器的電源及使能信號；電源為強電及切換保護電路供電。如上所述的上位控制器接收外部輸入的控制指令、來自下位控制器的數(shù)據(jù)和強電及切換保護電路的狀態(tài)信息并予以顯示，對接收到的信息進行處理，并向下位控制器發(fā)送控制命令或調(diào)試命令，向強電及切換保護電路發(fā)送通斷信號。如上所述的上位控制器采用通用工控機、顯示器、鍵盤及鼠標實現(xiàn)。如上所述的下位控制器接收來自傳感器采集的電機位置信息，根據(jù)上位控制器發(fā)送的控制命令或調(diào)試命令，采用特定控制算法對其進行處理，向上
位控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，并向邏輯切換電路發(fā)送控制信號，進而實現(xiàn)對電機的控制。如上所述的下位控制器采用工控機、高速串口、DA輸出卡和角度計算卡實現(xiàn)；其中，下位控制器通過高速串口與上位控制器工控機連接，下位控制器工控機通過DA輸出卡與邏輯切換電路連接，下位控制器工控機還通過角度計數(shù)卡與傳感器的輸出端連接。如上所述的邏輯切換電路接收來自下位控制器的控制信號，分別將其輸出給三個功率放大器。如上所述的功率放大器包括內(nèi)框功率放大器、中框功率放大器和外框功率放大器，還分別與三個電機連接，它接收來自邏輯切換電路的信號，并將該信號放大后發(fā)送給電機控制端。如上所述的電機共三個，分別與三個功率放大器連接，在功率放大器的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺的內(nèi)框、中框和外框轉(zhuǎn)動。一種基于如上所述的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的調(diào)試方法，具體包括如下步驟：第一步：初始化；上位控制器向下位控制器發(fā)送調(diào)試命令，令控制算法中位置環(huán)增益P_P＝1.0，速率環(huán)增益V_P＝1.0，反饋增益F_P＝1.0；第二步：向速度環(huán)輸入階躍信號；上位控制器向下位控制器發(fā)送調(diào)試命令，向速度環(huán)輸入階躍信號，下位控制器向上位控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，通過上位控制器的顯示器觀察該階躍信號及速度反饋信號波形；第三步：判斷是否需要增大速度環(huán)增益；若速度反饋信號不滿足設(shè)定條件，則上位控制器向下位控制器發(fā)送調(diào)試命令，增大速度環(huán)增益，跳轉(zhuǎn)至第二步；若速度反饋信號滿足設(shè)定條件，進入下一步；第四步：向位置環(huán)輸入階躍信號；上位控制器向下位控制器發(fā)送調(diào)試命令，向位置環(huán)輸入階躍信號，下位控制器向上位控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，通過上位控制器的顯示器觀察階躍信號及位置反饋信號波形；第五步：判斷是否需要增大位置環(huán)增益；若位置反饋信號不滿足設(shè)定條件，則上位控制器向下位控制器發(fā)送調(diào)試命令，增大位置環(huán)增益，跳轉(zhuǎn)至第二步；若位置反饋信號滿足設(shè)定條件，進入下一步；第六步：調(diào)整速度環(huán)增益、位置環(huán)增益和反饋增益；上位控制器向下位控制器發(fā)送調(diào)試命令，增大反饋增益F_P為原來的n倍，速度環(huán)增益V_P縮小為原來的1/n，位置環(huán)增益P_P增大n倍。如上所述的設(shè)定條件是：上升時間小于100ms、振蕩次數(shù)不大于2次、超調(diào)量不大于50％。本專利技術(shù)的有益效果是：本專利技術(shù)的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)采用由采用工控機、顯示器和鼠標實現(xiàn)的上位控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)實時在線性能檢測及安全保護，向下位機發(fā)出控制命令，接收獲取各種數(shù)據(jù)并以曲線方式顯示，為用戶提供友好的操作接口，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺各框進行操作控制。采用串聯(lián)校正及反饋校正控制算法的下位控制器，相比較傳統(tǒng)的PID控制策略，提高了轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的魯棒性。在此基礎(chǔ)上，提出了提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的調(diào)試方法，結(jié)合上位控制器提供的友好操作接口，將關(guān)鍵反饋變量及理論值用圖形化的方式顯示出來作為調(diào)試依據(jù)，最大程度上保證轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)。附圖說明圖1是典型三軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本專利技術(shù)的一種轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；圖3是圖2中下位控制器中采用的控制算法的結(jié)構(gòu)原理圖；圖4是圖3中速度環(huán)串聯(lián)校正網(wǎng)絡的頻率特性曲線；圖5是本專利技術(shù)的一種基于圖2所示的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的調(diào)試方法的流程圖；圖6是圖5的原理圖；圖中：1.負載安裝空間，2.內(nèi)環(huán)，3.內(nèi)環(huán)軸，4.中環(huán)，5.中環(huán)軸，6.外環(huán)，7.外環(huán)軸，8.底座。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本專利技術(shù)的一種提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的調(diào)試方法進行介紹：如圖2所示，一種提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，包括上位控制器、下位控制器、邏輯切換電路、功率放大器、電機、強電及切換保護電路、傳感器和電源模塊。其中，上位控制器分別與下位控制器和強電切換保護電路連接；它接收外部輸入的控制指令、來自下位控制器的數(shù)據(jù)和強電及切換保護電路的狀態(tài)信息并予以顯示，此處的數(shù)據(jù)是指轉(zhuǎn)臺框架的角位置和角速率，采用現(xiàn)有技術(shù)對接收到的信息進行處理，并向下位控制器發(fā)送控制命令或調(diào)試命令，向強電及切換保護電路發(fā)送通斷信號。在本實施例中，上位控制器采用通用工控機、顯示本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，包括上位控制器、下位控制器、邏輯切換電路、功率放大器、電機、強電及切換保護電路、傳感器和電源模塊，上位控制器分別與下位控制器和強電切換保護電路連接，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)實時在線性能檢測及安全保護，為用戶提供友好的操作接口，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺各框進行操作控制；下位控制器還分別與邏輯切換電路和傳感器連接，在上位控制器的控制下，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺位置、速度的控制；邏輯切換電路還分別與功率放大器連接，實現(xiàn)強電的切入和硬件的邏輯控制信號的切換；功率放大器還與電機連接，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；電機安裝在轉(zhuǎn)臺的內(nèi)框、中框和外框上，帶動轉(zhuǎn)臺的內(nèi)框、中框和外框轉(zhuǎn)動；傳感器安裝在電機的轉(zhuǎn)子上，用于采集電機轉(zhuǎn)子的位置信息；強電及切換保護電路還與三個功率放大器連接，切斷或連通三個功率放大器的電源及使能信號；電源為強電及切換保護電路供電。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，包括上位控制器、下位控制器、邏輯切換電路、功率放大器、電機、強電及切換保護電路、傳感器和電源模塊，上位控制器分別與下位控制器和強電切換保護電路連接，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)實時在線性能檢測及安全保護，為用戶提供友好的操作接口，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺各框進行操作控制；下位控制器還分別與邏輯切換電路和傳感器連接，在上位控制器的控制下，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺位置、速度的控制；邏輯切換電路還分別與功率放大器連接，實現(xiàn)強電的切入和硬件的邏輯控制信號的切換；功率放大器還與電機連接，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；電機安裝在轉(zhuǎn)臺的內(nèi)框、中框和外框上，帶動轉(zhuǎn)臺的內(nèi)框、中框和外框轉(zhuǎn)動；傳感器安裝在電機的轉(zhuǎn)子上，用于采集電機轉(zhuǎn)子的位置信息；強電及切換保護電路還與三個功率放大器連接，切斷或連通三個功率放大器的電源及使能信號；電源為強電及切換保護電路供電。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，其特征在于：所述的上位控制器接收外部輸入的控制指令、來自下位控制器的數(shù)據(jù)和強電及切換保護電路的狀態(tài)信息并予以顯示，對接收到的信息進行處理，并向下位控制器發(fā)送控制命令或調(diào)試命令，向強電及切換保護電路發(fā)送通斷信號。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，其特征在于：所述的上位控制器采用通用工控機、顯示器、鍵盤及鼠標實現(xiàn)。4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，其特征在于：所述的下位控制器接收來自傳感器采集的電機位置信息，根據(jù)上位控制器發(fā)送的控制命令或調(diào)試命令，采用特定控制算法對其進行處理，向上位控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，并向邏輯切換電路發(fā)送控制信號，進而實現(xiàn)對電機的
\t控制。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，其特征在于：所述的下位控制器采用工控機、高速串口、DA輸出卡和角度計算卡實現(xiàn)；其中，下位控制器通過高速串口與上位控制器工控機連接，下位控制器工控機通過DA輸出卡與邏輯切換電路連接，下位控制器工控機還通過角度計數(shù)卡與傳感器的輸出端連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高轉(zhuǎn)臺魯棒性的轉(zhuǎn)臺控...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：麥吉，梁雅軍，劉亞辰，高揚，唐聲權(quán)，王昱峰，趙健，胡睿，
申請(專利權(quán))人：北京航天計量測試技術(shù)研究所，中國運載火箭技術(shù)研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11