一种基于参数渐变的高动态舵机控制方法及系统与流程

本发明涉及高超弹载伺服的控制，具体为一种基于参数渐变的高动态舵机控制方法及系统。

背景技术：

1、舵机是一种机电一体化产品，是控制导弹姿态、轨迹和飞行稳定性的核心部件，受现有生产工艺、加工水平及装配技能限制，舵机结构特性离散型较大，导致控制参数适应性不足。但随着新一代战术导弹对快速机动能力、高命中精度及复杂环境下的鲁棒性提出更高要求，如何设计兼顾动态响应速度与参数自适应性的控制策略已成为亟待突破的技术瓶颈。

2、现阶段高动态舵机控制通常采用传统分段固定参数pid+滑模控制/模糊控制+滤波器等混合控制方法，分段固定参数pid控制方法需针对间隙、摩擦及负载变化等非线性特性预设阈值区间，工况切换时控制参数突变，导致输出波动加剧，控制效果不连续平稳性下降；滑模控制、模糊控制变量多，调试参数整定复杂，面对多维工况参数（单机/舱段装配、空载/加载/惯性负载、0.1hz～100hz扫频指令、0.25°～2°幅值、三温状态）时，参数整定过程复杂度呈指数级增长；此外，为了避免伺服弹性问题，需要根据总体仿真或实测的模态和频率特性要求，在控制回路中增加滤波器，但是滤波器必然会带来相位延迟，对系统快速性和稳定性有一定影响。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于参数渐变的高动态舵机控制方法及系统，以解决现有技术中高动态舵机存在的高频鲁棒性差、混合控制不连续、无法同时满足不同工况下伺服系统稳、准、快的技术问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种基于参数渐变的高动态舵机控制方法，包括：

4、数字控制器上电完成初始化，开启电机功率使能信号，并配置舵机零状态pwm初始控制参数，建立舵机闭环控制初始基准；

5、接收并解析外部控舵指令，基于系统通讯周期与舵机控制周期的匹配关系，对离散控舵指令进行在线插补处理，将粗粒度离散指令转化为连续渐变的精细化控制指令；

6、实时采集舵机位置反馈信号，并对原始反馈信号进行滤波预处理，剔除采样噪声干扰，得到舵机位置反馈数据；

7、基于精细化渐变控制指令与舵机位置反馈数据计算位置误差，通过指令变化率辨识指令频率特性，针对高低频指令自适应匹配非线性比例控制参数，结合低通滤波微分参数完成参数整定，动态求解适配当前工况的最优闭环控制量；

8、将最优闭环控制量转换为pwm驱动信号并输出至舵机驱动器，依托递进优化的控制指令与自适应参数，完成高动态舵机控制。

9、优选的，数字控制器上电完成初始化，开启电机功率使能信号，并配置舵机零状态pwm初始控制参数，建立舵机闭环控制初始基准，包括：

10、数字控制器上电初始化完成后，输出电机功率使能信号；基于双极性斩波工作方式，将舵机控零状态下的pwm控制量初始化为50%。

11、优选的，接收并解析外部控舵指令，基于系统通讯周期与舵机控制周期的匹配关系，对离散控舵指令进行在线插补处理中，系统通讯周期为2ms，舵机控制周期为500μs；采用线性插值方式完成单通讯周期内的指令插补，以当前通讯周期指令da、上一通讯周期指令da1为插值基准，生成当前通讯周期内四个控制周期对应的渐变控制指令，插值公式具体为：

12、da[0]=da

13、da[1]=((da-da1)0.25f)+da

14、da[2]=((da-da1)0.5f)+da

15、da[3]=((da-da1)0.75f)+da

16、其中，da为当前通讯周期的指令、da1为上一通讯周期的指令，da[0]～da[3]为完成在线插值后，当前一个通讯周期内各控制周期参与控制的指令。

17、优选的，实时采集舵机位置反馈信号，并对原始反馈信号进行滤波预处理，剔除采样噪声干扰，得到舵机位置反馈数据，包括采用均值滤波方式对实时采集的舵机位置反馈信号进行滤波降噪处理，滤波后得到稳定的舵机位置反馈数据。

18、优选的，基于精细化渐变控制指令与舵机位置反馈数据计算位置误差中，具体过程包括：

19、计算当前控制周期的位置误差，计算公式为：

20、ek= da[i]-df，i=0、1、2、3，

21、其中，da[i]为插补后的当前控制周期指令，df为滤波后的舵机位置反馈数据；

22、采用指令差分法辨识指令频率高低，计算指令变化率，计算公式为：

23、δs=|da[i]-da1[i-1]|/δt，i=1、2、3

24、其中，δt为控制周期时长，da1[i-1]为前一控制周期的控制指令。

25、进一步的，通过指令变化率辨识指令频率特性，针对高低频指令自适应匹配非线性比例控制参数的方式具体为：

26、当δs>δsmax时，判定为高频指令，压低控制增益提升高频工况系统鲁棒性；

27、当δs≤δsmax时，判定为低中频指令：若位置误差处于预设区间[ea,eb]，比例参数采用关于位置误差的二次函数计算，计算公式如下：

28、

29、其中，a1＜0、a2＜0、a3＞0，若位置误差ek处于区间[ea,eb]以外，kp取值为kpmin，并对计算得到的kp进行限幅处理。

30、优选的，微分控制参数的配置及滤波方式具体为：

31、微分系数kd与比例系数kp满足线性关系：kd=k×kp，系数k取值范围为5～10；

32、对微分项进行低通滤波处理，滤波迭代公式为：

33、

34、其中，；ek为当前控制周期的位置误差，ek1为上一控制周期的位置误差，系数a为滤波器系数，取值为tf/(ts+tf)，tf为滤波器时间常数，ts为采样时间。

35、优选的，结合低通滤波微分参数完成参数整定，动态求解适配当前工况的最优闭环控制量，计算公式为：

36、

37、其中，；为自适应配置的比例系数；为当前位置误差；为滤波后的微分项。

38、优选的，将最优闭环控制量转换为pwm驱动信号并输出至舵机驱动器，依托递进优化的控制指令与自适应参数，包括：

39、对当前通讯周期指令da、上一通讯周期指令da1及舵机位置反馈df进行采样保持处理，依次完成指令在线插补、指令频率辨识、高低频指令区分、非线性控制参数计算，最终基于连续渐变的控制参数生成pwm信号并更新至驱动器，完成舵机高精度平滑闭环控制。

40、第二方面，本发明还提供了一种基于参数渐变的高动态舵机控制系统，包括：

41、初始化模块，用于数字控制器上电完成初始化，开启电机功率使能信号，并配置舵机零状态pwm初始控制参数，建立舵机闭环控制初始基准；

42、指令插补模块，用于接收并解析外部控舵指令，基于系统通讯周期与舵机控制周期的匹配关系，对离散控舵指令进行在线插补处理，将粗粒度离散指令转化为连续渐变的精细化控制指令；

43、反馈滤波模块，用于实时采集舵机位置反馈信号，并对原始反馈信号进行滤波预处理，剔除采样噪声干扰，得到舵机位置反馈数据；

44、参数计算模块，用于基于精细化渐变控制指令与舵机位置反馈数据计算位置误差，通过指令变化率辨识指令频率特性，针对高低频指令自适应匹配非线性比例控制参数，结合低通滤波微分参数完成参数整定，动态求解适配当前工况的最优闭环控制量；

45、驱动输出模块，用于将最优闭环控制量转换为pwm驱动信号并输出至舵机驱动器，依托递进优化的控制指令与自适应参数，完成高动态舵机控制。

46、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

47、本发明提供了一种基于参数渐变的高动态舵机控制方法，通过依次执行控制器初始化基准搭建、离散控舵指令在线插补平滑、位置反馈信号滤波降噪、基于指令频率辨识的自适应参数整定及闭环驱动输出的递进式控制步骤，有效解决了现有高动态舵机高频鲁棒性差、混合控制不连续，难以兼顾不同工况下伺服系统稳定性、精准性与快速性的行业技术难题。本控制方法依托指令插补实现控制指令连续渐变，规避了传统控制量突变对舵机系统造成的冲击与不良影响，同时根据指令高低频特性自适应匹配非线性比例控制参数，结合低通滤波优化微分参数，实现了小误差匹配大控制量、大误差匹配小控制量的精准调控逻辑，在保障舵机快速响应与高精度控制效果的同时，大幅提升系统运行稳定性。从实际频率特性测试结果来看，本方案优化效果显著，低频段0.159hz处幅值由-0.212db提升到-0.115db，大幅拉近零值偏差、有效提升舵机控制精度；中频段12.738hz处相移由-33.422°提升至-25.984°，显著减小舵机响应延迟，提升动态响应速度；高频段47.746hz处幅值衰减由-9.778db提升至-14.779db，大幅增强舵机高频抗干扰能力与运行鲁棒性，整体让舵机动态性能提升超过10%，全方位兼顾了伺服控制系统稳、准、快的核心需求，有效提升了高动态舵机的整体动态性能与运行可靠性。