一种伺服稳定平台速度预测控制方法及装置与流程

1.本发明属于伺服系统控制领域，尤其涉及一种伺服稳定平台速度预测控制方法及装置。


背景技术：

2.伺服控制系统，又称随动系统，是用来精确的跟随或复现某个过程的反馈控制系统，伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便，在很多情况下，伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移(或转角)准确的跟踪输入的位移(或转角)，其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
3.速度预测控制算法是一种具有明显优势的控制算法，速度预测控制在过程控制中最明显的优势为能够较好的适应过程增益变化。可以直观的看出，速度预测控制固有的自适应过程增益的变化，例如，过程增益变大，则过程响应将更大，预测向量将进一步延伸，并且移动将逐渐减小并相应的更快地停止，速度预测控制本身适应于预设移动速率的变化，因此可以手动调整或动态调整以满足性能标准。为达到上述功能，速度预测控制本身应当能够适应移动速率的变化。这意味着可以使用内置的辅助速度预测控制功能调整移动速率以获得所需回路性能、或动态调整移动速率，以实现各种高性能标准。在伺服控制系统中，在某些特定的状态下，需要适应过程增益变化的过程中，通过预设移动速率的变化，可以动态调整过程参数以满足各种高性能指标标准。伺服控制系统，需要适应移动速率的变化，那么，伺服控制系统的控制器中内置的控制算法能够动态调整产品的移动速率，以获得所需的回路性能，实现产品的各种高性能指标。伺服稳定平台需要速度预测控制算法，伺服控制系统在特定状态下，进行全过程速度预测控制，能够有效提高伺服控制系统的控制精度、提高控制系统鲁棒性。
4.目前，通过提高伺服稳定系统的增益和速度滞后补偿的方法可以改善伺服稳定系统跟踪动目标的跟踪精度，但是这两种方法均有缺点。
5.提高增益的解决方案的缺点为：为了实现伺服控制系统跟踪快速运动目标的跟踪精度，按照控制原理，在一般的闭环控制系统中，提高精度需要提高增益或增加积分环节以提高无静差度。但提高增益会增大系统带宽，受到机械性能和传感器采样频率的限制，带宽不能随意增大，而增加积分环节将影响甚至破坏系统的稳定性。因此，需要探求提高伺服系统跟踪快速运动目标精度的方法。
6.速度滞后补偿方法虽然简单有效，但速度滞后补充方法提高跟踪精度的能力有限，不能满足伺服控制系统跟踪精度指标。在速度滞后补偿的基础上提出了一种加速度滞后补偿的控制方法，用以提高伺服控制系统跟踪快速运动目标精度，可以在速度滞后补偿提高跟踪精度的基础上，大大提高伺服系统跟踪快速运动目标跟踪精度的能力。对于伺服
稳定系统，速度滞后补偿、加速度滞后补偿的方法对于提高跟踪精度有限，而高型系统在模拟校正方法下很难稳定。现有的速度补偿方法虽然能够提高伺服系统跟踪快速运动目标的跟踪精度，但是提高的程度有限，尤其在特定状态下，效果不明显。


技术实现要素：

7.伺服控制系统需要适应移动速率的变化，那么，伺服控制系统的控制器中内置的控制算法需要能够动态调整伺服稳定平稳的移动速率，以获得所需的回路性能，实现伺服稳定平稳的各种高性能指标。因此，需要对伺服稳定平台的运动速度进行速度预测控制进行改进。
8.为解决上述技术问题，本发明提出了一种伺服稳定平台速度预测控制方法及装置，所述方法及装置，用于解决现有技术的跟踪动态目标时，伺服稳定的移动速率不平稳、跟踪精度不高的技术问题。
9.根据本发明的第一方面，提供一种伺服稳定平台速度预测控制方法，所述方法包括以下步骤：
10.步骤s101：获取伺服控制系统中陀螺组件的输出，获取若干时刻的伺服稳定平台运动过程中的速度值，计算伺服稳定平台的加速度，对陀螺组件采集的伺服稳定平台的运动速度进行预处理；
11.步骤s102：将获取到的速度、加速度分别与预设的速度、加速度进行比较；
12.若所述获取到的速度小于预设的速度，并且获取到的加速度大于预设的加速度，则采用增益补偿、速度滞后补偿及加速度滞后补偿相结合的方式，对伺服稳定平台的控制量进行补偿；
13.若所述获取到的速度大于预设的速度，并且获取到的加速度小于预设的加速度，则采用增益补偿及速度滞后补偿相结合的方式，对伺服稳定平台的控制量进行补偿；
14.步骤s103：将补偿后得到的速度预测控制量进行预处理，将预处理后的速度预测控制量发送给伺服系统，作为控制变量；
15.步骤s104：获取陀螺组件的当前输出值，将所述当前输出值与所述控制变量相比较，将偏差较正为零，获取当偏差较正为零时对应的控制量，以该控制量控制被控对象。
16.根据本发明第二方面，提供一种伺服稳定平台速度预测控制装置，所述装置包括：
17.预处理模块：配置为获取伺服控制系统中陀螺组件的输出，获取若干时刻的伺服稳定平台运动过程中的速度值，计算伺服稳定平台的加速度，对陀螺组件采集的伺服稳定平台的运动速度进行预处理；
18.比较模块：配置为将获取到的速度、加速度分别与预设的速度、加速度进行比较；
19.若所述获取到的速度小于预设的速度，并且获取到的加速度大于预设的加速度，则采用增益补偿、速度滞后补偿及加速度滞后补偿相结合的方式，对伺服稳定平台的控制量进行补偿；
20.若所述获取到的速度大于预设的速度，并且获取到的加速度小于预设的加速度，则采用增益补偿及速度滞后补偿相结合的方式，对伺服稳定平台的控制量进行补偿；
21.控制量获取模块：配置为将补偿后得到的速度预测控制量进行预处理，将预处理后的速度预测控制量发送给伺服系统，作为控制变量；
22.控制模块：配置为获取陀螺组件的当前输出值，将所述当前输出值与所述控制变量相比较，将偏差较正为零，获取当偏差较正为零时对应的控制量，以该控制量控制被控对象。
23.根据本发明第三方面，提供一种伺服稳定平台速度预测控制系统，包括：
24.处理器，用于执行多条指令；
25.存储器，用于存储多条指令；
26.其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述的伺服稳定平台变结构速度预测控制方法。
27.根据本发明第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的伺服稳定平台速度预测控制方法。
28.根据本发明的上述方案，提出一种伺服稳定平台速度预测控制方法，能够满足伺服稳定平台在需要适应过程增益变化的过程中，通过预设移动速率的变化，可以动态调整过程参数以满足各种高性能指标标准。基于本发明的方案，伺服控制系统的控制器中内置的控制算法能够动态调整产品的移动速率，以获得所需的回路性能，实现产品的各种高性能指标，适应移动速率的变化。本发明的方案，能够提高伺服系统跟踪快速运动目标的跟踪精度。本发明具有下列优点：可以使得在伺服控制系统不接收外界传感器的信息的情况下，根据伺服控制系统自带的速度传感器的数据，进行速度预测，提高伺服的伺服控制系统随动特性，以获得所需的回路性能，实现产品的各种高性能指标。具有控制效果好、程序执行时间短、速度预测准确率高等特点。本发明能够有效提高伺服稳定平台，跟踪运动目标时，能够动态调整伺服稳定平台的移动速率，同时获得较高的跟踪精度。
29.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
30.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明提供如下附图进行说明。在附图中：
31.图1为本发明一个实施方式的伺服稳定平台变结构速度预测控制方法流程图；
32.图2为本发明一个实施方式的伺服稳定平台变结构速度预测控制数据流图；
33.图3为本发明一个实施方式的俯仰轴速度分量示意图；
34.图4为本发明一个实施方式的俯仰轴加速度分量示意图；
35.图5为本发明一个实施方式的伺服稳定平台变结构速度预测控制装置结构框图。
具体实施方式
36.首先结合图1-2说明本发明一个实施方式的伺服稳定平台速度预测控制方法流程，所述方法包括以下步骤：
37.步骤s101：获取伺服控制系统中陀螺组件的输出，获取若干时刻的伺服稳定平台运动过程中的速度值，计算伺服稳定平台的加速度，对陀螺组件采集的伺服稳定平台的运动速度进行预处理；
38.步骤s102：将获取到的速度、加速度分别与预设的速度、加速度进行比较；
39.若所述获取到的速度小于预设的速度，并且获取到的加速度大于预设的加速度，则采用增益补偿、速度滞后补偿及加速度滞后补偿相结合的方式，对伺服稳定平台的控制量进行补偿；
40.若所述获取到的速度大于预设的速度，并且获取到的加速度小于预设的加速度，则采用增益补偿及速度滞后补偿相结合的方式，对伺服稳定平台的控制量进行补偿；
41.步骤s103：将补偿后得到的速度预测控制量进行预处理，将预处理后的速度预测控制量发送给伺服系统，作为控制变量；
42.步骤s104：获取陀螺组件的当前输出值，将所述当前输出值与所述控制变量相比较，将偏差较正为零，获取当偏差较正为零时对应的控制量，以该控制量控制被控对象。
43.本实施例中，对速度预测控制方法进行了变体，涉及的速度预测控制方法为：对变量进行预处理，采集数据，与设定值比较，采用数据预处理控制决策，具体地，采用不同的决策策略，预测量预处理控制量输出，同时对当前传感器采集的数据进行预处理，预处理之后的数值与经过速度预处理的控制量相比较后输出，本实施例涉及的速度预测控制，增加了变量的预处理，又增加根据不同的情况，改变控制决策，同时，将当前时刻的速度变量预处理之后，与速度预测控制后的量相比较后输出。这样改进后，对速度预测控制算法的控制效果进行了优化，提高了控制精度，缩短了参数调试时间。
44.进一步地，还包括步骤s105：将速度、加速度置为零。
45.在伺服控制系统中，为提高伺服系统跟踪快速运动目标的跟踪精度，需要适应过程增益变化的过程中，通过预设移动速率的变化，可以动态调整过程参数以满足各种高性能指标标准。伺服控制系统，需要适应移动速率的变化，那么，伺服控制系统的控制器中内置的控制算法，能够动态调整产品的移动速率，以获得所需的回路性能，实现产品的各种高性能指标。速度预测控制，能够实现参数自动调整，自动进行回路参数调整和算法调整。速度预测控制能够实时更新回路参数，对伺服控制系统控制具有重要意义。
46.以下结合具体数据说明本发明的方法，本发明主要用于提高伺服系统跟踪快速运动目标的跟踪精度时，需要适应过程增益变化的应用场景。
47.所述步骤s101：获取伺服控制系统中陀螺组件的输出，获取若干时刻的伺服稳定平台运动过程中的速度值，计算伺服稳定平台的加速度，对陀螺组件采集的伺服稳定平台的运动速度进行预处理，其中：
48.伺服控制系统上ad转换器采集速度传感器敏感的速度信息，送给伺服控制器，伺服控制器记录前10个时刻的速度值、并计算出加速度数据；并对采集的速度、加速度数据进行限幅处理。
49.ve10＝ve9；//将第9个时刻的速度值赋值给第10个时刻的速度变量
50.ve9＝ve8；//将第8个时刻的速度值赋值给第9个时刻的速度变量
51.ve8＝ve7；//将第7个时刻的速度值赋值给第8个时刻的速度变量
52.ve7＝ve6；//将第6个时刻的速度值赋值给第7个时刻的速度变量
53.ve6＝ve5；//将第5个时刻的速度值赋值给第6个时刻的速度变量
54.ve5＝ve4；//将第4个时刻的速度值赋值给第5个时刻的速度变量
55.ve4＝ve3；//将第3个时刻的速度值赋值给第4个时刻的速度变量
56.ve3＝ve2；//将第2个时刻的速度值赋值给第3个时刻的速度变量
57.ve2＝ve1；//将第1个时刻的速度值赋值给第2个时刻的速度变量
58.ve1＝(int)(-yout0/11)；
59.ae1＝(ve2-ve1)；//计算前1个时刻的加速度值
60.ae2＝(ve3-ve2)；//计算前2个时刻的加速度值
61.ae3＝(ve4-ve3)；//计算前3个时刻的加速度值
62.ae4＝(ve5-ve4)；//计算前4个时刻的加速度值
63.ae5＝(ve6-ve5)；//计算前5个时刻的加速度值
64.ae6＝(ve7-ve6)；//计算前6个时刻的加速度值
65.ae7＝(ve8-ve7)；//计算前7个时刻的加速度值
66.ae8＝(ve9-ve8)；//计算前8个时刻的加速度值
67.ae9＝(ve10-ve9)；//计算前9个时刻的加速度值
68.ae10＝(int)((ae1 ae2 ae3 ae4 ae5 ae6 ae7 ae8 ae9)/9)；
69.if(ae10》90)ae10＝90；
70.else if(ae10《-90)ae10＝-90。
71.所述对陀螺组件采集的伺服稳定平台的运动速度进行预处理，对速度值的预处理操作为将前一时刻的速度值送给当前时刻的速度变量，对加速度值的预处理操作为求取当前时刻的加速度值，并进行均值计算和限幅处理。
72.所述步骤s102：将获取到的速度、加速度分别与预设的速度、加速度进行比较，如图3-4所示，其中：
73.基于前10个时刻的速度、加速度数据，与设定速度和加速度值比较；如果在设定值范围内，确定目标预测速度控制决策；
74.设定的速度和加速度为整机发射后，在俯仰轴上的速度和加速度分量；其中加速度为速度v＝g*t*sinθ；加速度a＝g*sinθ；其中，g为重力加速度，t为整机运动时间,θ为俯仰倾斜角。分量示意图如图4所示，俯仰轴加速度分量示意图如图5所示。
75.在本实施例中θ＝30
°
，即速度设定值为v＝5
°
/s；加速度的设定值为a＝5
°
/s2。
76.本实施例中，预设的速度值v＝5
°
/s和加速度值a＝5
°
/s2为行业内经典经验值。
77.情况1：如果速度值小于设定值，加速度大于设定值；即速度小，加速度大，控制决策为：增益补偿 速度滞后补偿 加速度滞后补偿；具体控制决策选择如下：
78.ykaout0＝(-ae10*kptime1)；
79.ykaout0限幅在
±
900以内；
80.bx＝ykpout0 ydyxh1 ykaout0；
81.其中ykaout0：俯仰加速度预测控制量；
82.ae10：前9场航向角加速度预测控制量；
83.kptime1：俯仰跟踪阶跃时间计数器；
84.ykpout0：俯仰跟踪比例项；
85.ydyxh1：俯仰前一时刻导引信号，实际为陀螺组件输出值。
86.情况2：如果速度值不小于设定值，加速不大于设定值；速度大，加速度小，控制决策选择为：增益补偿 速度滞后补偿；具体控制决策选择如下：
87.bx＝ykpout0 ydyxh1；
88.其中bx：俯仰加速度预测控制量中间状态变量；
89.ykpout0：俯仰跟踪比例项；
90.ydyxh1：俯仰前一时刻导引信号，实际为陀螺组件输出值。
91.所述步骤s103：将补偿后得到的速度预测控制量进行预处理，将预处理后的速度预测控制量发送给伺服系统，作为控制变量，其中:
92.速度预测控制量进行预处理后送出；
93.控制量bx限幅输出
±
30
°
/s；
94.yout0＝-(bx*10)；
95.其中30
°
/s＝12
°
/s*2.5；
±
30
°
/s为伺服控制系统的最大搜索速度12
°
/s的2.5倍；2.5倍为该光学舱跟踪带宽值；
96.v＝a*t；速度求取公式，其中t＝10s；a取加速度预测值bx；yout0为俯仰轴控制主令。
97.本实施例中，将补偿后得到的速度预测控制量进行预处理，所述速度预处理是指速度限和速度乘以系统参数。
98.所述步骤s104，将所述当前输出值与所述控制变量相比较，将偏差较正为零，包括：
99.步骤s1041：将当前伺服稳定平台的运动速度与伺服控制器设定的速度相比较，当偏差不为零时，将所述控制变量乘以一个偏差系数，将新的控制变量作为控制变量，所述偏差系数为0.3～0.8；
100.步骤s1042：将所述控制变量输入伺服稳定平台，使其运动，再读取陀螺输出的伺服稳定平台的运动速度，将该运动速度再与设定的运动速度进行比较，如果为零，较正完成；否则，进入步骤s1043；
101.步骤s1043：将所述控制变量乘以偏差系数，获得新的控制变量，将该新的控制变量作为控制变量，进入步骤s1042。
102.步骤s104：获取陀螺组件的当前输出值，将所述当前输出值与所述控制变量相比较，将偏差较正为零，获取当偏差较正为零时对应的控制量，以该控制量控制被控对象，其中：
103.读取当前陀螺组件输出值，与当前控制量进行比较，将偏差校正为零，再将校正后的控制量输出；
104.yerror＝yout0-yspeed；
105.yout0＝(int)(yerror/2) yout0；
106.其中：yerror为当前控制量与当前负载运动速度的偏差；
107.yout0为当前控制量；
108.yspeed为当前负载的运动速度。
109.所述步骤s105：将如前所述的速度、加速度置为零，其中：
110.将数据采集量和加速度预测控制量清零。
111.ve1＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前1时刻俯仰角速度
112.ve2＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前2时刻俯仰角速度
113.ve3＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前3时刻俯仰角速度
114.ve4＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前4时刻俯仰角速度
115.ve5＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前5时刻俯仰角速度
116.ve6＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前6时刻俯仰角速度
117.ve7＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前7时刻俯仰角速度
118.ve8＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前8时刻俯仰角速度
119.ve9＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前9时刻俯仰角速度
120.ve10＝0；
ꢀꢀꢀ
//前10时刻俯仰角速度
121.ve11＝0；
ꢀꢀꢀ
//前11时刻俯仰角速度
122.ae1＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前1时刻俯仰角加速度
123.ae2＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前2时刻俯仰角加速度
124.ae3＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前3时刻俯仰角加速度
125.ae4＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前4时刻俯仰角加速度
126.ae5＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前5时刻俯仰角加速度
127.ae6＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前6时刻俯仰角加速度
128.ae7＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前7时刻俯仰角加速度
129.ae8＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前8时刻俯仰角加速度
130.ae9＝0；
ꢀꢀꢀꢀ
//前9时刻俯仰角加速度
131.ae10＝0；
ꢀꢀꢀ
//前10时刻俯仰角加速度
132.ykaout0＝0；//俯仰加速度预测控制量
133.伺服控制系统通过使用该速度预测算法，能够较好的适应移动速率的变化，伺服控制系统的控制器中内置的控制算法，能够动态调整产品的移动速率，以获得所需的回路性能，实现产品的各种高性能指标。速度预测控制，能够实现参数自动调整，自动进行回路参数调整和算法调整。速度预测控制能够实时更新回路参数，对伺服控制系统控制具有重要意义。
134.跟踪精度测试结果：速度《10
°
/s时，跟踪精度为1mrad；
135.速度在10～20
°
/s时，跟踪精度为1mrad。
136.满足产品的使用要求，控制效果良好。
137.本发明实施例进一步给出一种伺服稳定平台变结构速度预测控制装置，如图5所示，所述装置包括：
138.预处理模块：配置为获取伺服控制系统中陀螺组件的输出，获取若干时刻的伺服稳定平台运动过程中的速度值，计算伺服稳定平台的加速度，对陀螺组件采集的伺服稳定平台的运动速度进行预处理；
139.比较模块：配置为将获取到的速度、加速度分别与预设的速度、加速度进行比较；
140.若所述获取到的速度小于预设的速度，并且获取到的加速度大于预设的加速度，则采用增益补偿、速度滞后补偿及加速度滞后补偿相结合的方式，对伺服稳定平台的控制量进行补偿；
141.若所述获取到的速度大于预设的速度，并且获取到的加速度小于预设的加速度，则采用增益补偿及速度滞后补偿相结合的方式，对伺服稳定平台的控制量进行补偿；
142.控制量获取模块：配置为将补偿后得到的速度预测控制量进行预处理，将预处理后的速度预测控制量发送给伺服系统，作为控制变量；
143.控制模块：配置为获取陀螺组件的当前输出值，将所述当前输出值与所述控制变量相比较，将偏差较正为零，获取当偏差较正为零时对应的控制量，以该控制量控制被控对象。
144.本发明实施例进一步给出一种伺服稳定平台变结构速度预测控制系统，包括：
145.处理器，用于执行多条指令；
146.存储器，用于存储多条指令；
147.其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述的伺服稳定平台变结构速度预测控制方法。
148.本发明实施例进一步给出一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的伺服稳定平台变结构速度预测控制方法。
149.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
150.在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
151.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
152.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
153.上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，实体机服务器，或者网络云服务器等，需安装windows或者windows server操作系统)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
154.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。