一種多參數(shù)測(cè)試儀器多模式寬速率無縫切換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種多參數(shù)測(cè)試儀器的模式切換控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多參數(shù)測(cè)試儀器全稱為高精度慣性器件多參數(shù)測(cè)試儀器，是仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的進(jìn)一步發(fā) 展，在仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的基礎(chǔ)上集成了巧螺儀與加速度計(jì)。其機(jī)構(gòu)包括基座、框架、精密軸承、轉(zhuǎn) 軸、法蘭盤、滑環(huán)、電機(jī)等，電氣部分包括控制單元、電源模塊、功率單元、顯示模塊、接口模 塊、機(jī)柜等，工作過程主要是在控制單元的控制下，由大功率力矩電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)行多 軸的精密回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；h(huán)完成多模信號(hào)同步隨動(dòng)傳輸、電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力矩，控制單元進(jìn)行高 精密多模式控制，其主要作用是光纖、激光、機(jī)械、捷連慣組多模測(cè)試與標(biāo)定?？刂茊卧嵌?參數(shù)測(cè)試儀器的電氣控制主體，包括多模態(tài)激勵(lì)、驅(qū)動(dòng)、測(cè)角、多模信號(hào)傳輸、高精度寬速率 控制等模塊，其中高精度寬速率控制與無縫切換是支撐控制單元的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 多參數(shù)測(cè)試儀器的應(yīng)用對(duì)象較多，根據(jù)多參數(shù)測(cè)試儀器的性能指標(biāo)要求， 多參數(shù)測(cè)試儀器需具有良好的位置精度要求、精確的低速特性和較寬的速率范圍 (0. 0001-200° /s)。由于運(yùn)動(dòng)控制卡忍片接收編碼器脈沖數(shù)時(shí)，具有最大頻率，受到運(yùn)個(gè)最 大頻率的限制，編碼器的細(xì)分倍數(shù)不能是恒定的，是需要變化的。針對(duì)多參數(shù)測(cè)試儀器的寬 速率范圍要求，編碼器細(xì)分倍數(shù)的變化將導(dǎo)致儀器分辨率，尤其是反饋特性的改變，進(jìn)而影 響控制策略的有效性。測(cè)試儀器多模式寬速率高精度的指標(biāo)特性客觀要求控制策略能夠進(jìn) 行自主無縫切換，W適應(yīng)多參數(shù)測(cè)試儀器的特殊性能需求，而多參數(shù)儀器的運(yùn)行特性導(dǎo)致 沒有一種普遍適用的控制策略能夠在多模式，寬速率范圍內(nèi)對(duì)儀器進(jìn)行有效控制。
[0004] 目前，多參數(shù)測(cè)試儀器的工作模式切換包括兩個(gè)步驟：（1)切換儀器的分辨率； (2)對(duì)控制策略簡(jiǎn)單調(diào)整參數(shù)?，F(xiàn)有方法存在如下=個(gè)問題：（1)在低速與高速切換時(shí)系統(tǒng) 抖振明顯；（2)不同工作模式下使用同一種控制策略，無法根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)來達(dá)到最 優(yōu)控制；（3)系統(tǒng)切換過后無自適應(yīng)調(diào)整過程，在不同工作環(huán)境下適應(yīng)性不好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種多參數(shù)測(cè)試儀器多 模式寬速率無縫切換方法，該方法克服了多參數(shù)儀器模式切換時(shí)系統(tǒng)抖振明顯，對(duì)多工作 模式在惡劣環(huán)境下適應(yīng)性差的問題，能夠滿足多參數(shù)儀器多模式高精度寬速率無縫切換的 要求。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種多參數(shù)測(cè)試儀器多模式寬速率無縫切換方法，包 括如下步驟：
[0007] (1)將多參數(shù)測(cè)試儀器的速率范圍進(jìn)行nl等分，得到nl個(gè)速率區(qū)間，同時(shí)將多參 數(shù)測(cè)試儀器的工作方式與nl個(gè)速率區(qū)間進(jìn)行兩兩任意組合，共得到3nl種工作模式；所述 的工作方式包括速率工作方式、位置工作方式、動(dòng)態(tài)仿真工作方式；
[0008] nl個(gè)速率區(qū)間分別為：
[0009]
[0010] 其中：
M為多參數(shù)測(cè)試儀器的帶寬，n為多參數(shù)測(cè)試儀器的線 數(shù)，k為細(xì)分倍數(shù)。
[0011] (2)建立多參數(shù)測(cè)試儀器的控制策略庫(kù)；所述的控制策略庫(kù)由控制策略構(gòu)成，控 制策略包含控制率與模糊自調(diào)諧器的組合，所述的模糊自調(diào)諧器對(duì)控制率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào) 整；所述的控制率對(duì)多參數(shù)測(cè)試儀器在確定工作模式下的運(yùn)行進(jìn)行控制，為滑膜控制率；
[0012] (3)建立多參數(shù)測(cè)試儀器的模型，對(duì)于步驟（1)的3nl種工作模式，采用計(jì)算機(jī)仿 真的方式對(duì)步驟（2)中控制策略庫(kù)的每一條控制策略進(jìn)行逐一驗(yàn)證，查找到能夠滿足要求 的工作模式與控制策略的組合，并將組合寫入準(zhǔn)模式切換查找表；
[0013] (4)利用多參數(shù)測(cè)試儀器對(duì)準(zhǔn)模式切換表進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，找出每一種工作模式下 唯一的最優(yōu)的控制策略，并寫入模式切換查找表；
[0014] (5)在多參數(shù)測(cè)試儀器實(shí)際運(yùn)行過程中，根據(jù)多參數(shù)測(cè)試儀器的實(shí)際工作模式，查 找模式切換查找表，并根據(jù)模式切換查找表選擇最優(yōu)控制策略進(jìn)行無縫切換控制。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0016] (1)本發(fā)明根據(jù)多參儀器運(yùn)行狀態(tài)、指標(biāo)要求與控制策略的相關(guān)性，通過經(jīng)過事先 驗(yàn)證的模式切換查找表選擇最優(yōu)的控制策略，解決了多參儀器不同工作模式下使用同一種 控制策略，無法根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)來達(dá)到最優(yōu)控制的難題；
[0017] (2)本發(fā)明方法結(jié)合儀器當(dāng)前工作狀態(tài)、性能指標(biāo)、最優(yōu)模式切換查找表來選擇最 優(yōu)控制策略，使儀器系統(tǒng)時(shí)刻處于最優(yōu)工作狀態(tài)，可W在多模式下有效的實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)的 性能指標(biāo)要求，最大限度的發(fā)揮儀器系統(tǒng)的性能，保證多參儀器對(duì)各種測(cè)試環(huán)境的適應(yīng)性， 方法簡(jiǎn)單、有效、切換智能，適應(yīng)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高； 陽(yáng)01引 （3)本發(fā)明方法利用事先驗(yàn)證過的存儲(chǔ)在內(nèi)存中的模式切換查找表進(jìn)行控制策略 切換，方法簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，切換準(zhǔn)確、可靠，可W充分利用事前驗(yàn)證切換策略的有效性，可W充分利用已有先驗(yàn)的知識(shí)，出錯(cuò)幾率可W人為降到最低，切換過程接近于實(shí)際情況；
[0019] (4)本發(fā)明方法充分考慮了采用其它智能算法進(jìn)行控制策略切換會(huì)產(chǎn)生的不確定 性，無預(yù)知性，利用該查找表進(jìn)行模式切換，切換過程精細(xì)、快速、準(zhǔn)確，使切換過程無縫銜 接，保證了儀器在多工作模式及惡劣工作環(huán)境下的性能指標(biāo)不降低，通過大量的預(yù)先驗(yàn)證 可W保證切換過程準(zhǔn)確、可靠。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明模式切換查找表建立流程圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明控制策略仿真控制結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為了兼容位置精度和速率精度的不同特性要求，需要一種優(yōu)良性能的控制策略與 控制方法。無縫切換主要解決多模式（位置和速率），高精度寬速率的控制問題。無縫切換 技術(shù)包括：在保證速率精度的條件下，高速率與低速率之間的平滑切換；根據(jù)慣性器件的 測(cè)試要求，在運(yùn)行模式（位置、速率、伺服）之間的良好切換。
[0024] 近年來測(cè)試儀器的功能不斷擴(kuò)展，運(yùn)對(duì)其控制系統(tǒng)地適應(yīng)性提出了更高的要求， 控制系統(tǒng)的軟硬件性能不斷提高W及各種先進(jìn)控制算法如：滑膜控制、模糊控制的不斷成 熟，為在多參數(shù)儀器控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中采用復(fù)雜控制策略創(chuàng)造了條件，進(jìn)而為復(fù)雜的控 制策略設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。
[00巧]本發(fā)明的原理是：多參數(shù)儀器的控制策略不能僅采用一種，同一種控制策略對(duì)于 多參數(shù)儀器不同工作模式及運(yùn)行速率、精度要求不能做到同時(shí)滿足。而多參數(shù)儀器在一次 工作中須完成多項(xiàng)任務(wù)。因此可根據(jù)多參數(shù)儀器在某時(shí)刻的任務(wù)需求選擇經(jīng)過驗(yàn)證的最優(yōu) 控制策略，而在控制策略選定后，根據(jù)速率范圍及精度要求使用多種不相關(guān)自調(diào)諧方法對(duì) 具體控制律進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。總體而言，該方法先根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)選擇控制策略，然后根 據(jù)性能指標(biāo)自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制律，達(dá)到對(duì)多模式，寬速率、高精度等任務(wù)要求的無縫切換。 [00%] 如圖1所示，本發(fā)明多參數(shù)測(cè)試儀器多模式寬速率無縫切換方法步驟如下：
[0027] (1)建立系統(tǒng)工作模式表。
[0028] 多參數(shù)測(cè)試儀器按功能分為=個(gè)工作方式：速率工作方式、位置工作方式、動(dòng)態(tài)仿 真工作方式。儀器的速率是系統(tǒng)在=種工作模式下進(jìn)行模式再細(xì)分的重要指標(biāo)，因?yàn)樗c 儀器的帶寬、分辨率有密切的關(guān)系。換句話說，儀器的帶寬、儀器的分辨率決定了儀器的最 大可運(yùn)行速率。如果儀器的最大運(yùn)行速率超出了由儀器帶寬及儀器分辨率所決定的可運(yùn)行 速率范圍，則必須對(duì)儀器的模式進(jìn)行切換。因此，儀器的運(yùn)行速率是進(jìn)行更精細(xì)的模式切換 的關(guān)鍵指標(biāo)。
[0029] 根據(jù)儀器對(duì)象編碼器線數(shù)、當(dāng)前細(xì)分倍數(shù)及儀器帶寬，速率范圍劃分按如下公式 進(jìn)行：
[0030]
[0031] 式中，V表示儀器運(yùn)行速率，M表示儀器帶寬，n表示編碼器線數(shù)，k表示細(xì)分倍數(shù)， 儀器分辨率為nXk，由上式可W計(jì)算系統(tǒng)最大速率。例如，編碼器的線數(shù)是23600線，當(dāng)細(xì) 分倍數(shù)為1000倍時(shí)，系統(tǒng)帶寬只有10M脈沖/s，此時(shí)速率能達(dá)到的最大值是152°/s;當(dāng) 細(xì)分倍數(shù)為500倍時(shí)，此時(shí)速率能達(dá)到的最大值是304° /s。
[0032] 本發(fā)明中系統(tǒng)的速率范圍劃分時(shí)，按照系統(tǒng)帶寬等距劃分，假設(shè)系統(tǒng)帶寬為M，系 統(tǒng)速率范圍劃分為nl，則速率間隔采用下式計(jì)算：
[0033]
[0034] 系統(tǒng)的速率劃分按下式計(jì)算：
[0035]
[0036] 根據(jù)多參數(shù)測(cè)試儀器工作方式及速率范圍的劃分，就可W構(gòu)建系統(tǒng)模式組合并導(dǎo) 出系統(tǒng)工作模式表。系統(tǒng)工作模式表的生成如圖2所示。本例中為了保證多參數(shù)測(cè)試儀器 能夠針對(duì)不同速率段進(jìn)行控制策略切換，將速率段劃分如下：〇. 0001-100° /s(超低速）， 100-200°/s(低速），200-300°/s(中速），300°/s(高速上。由此可得系統(tǒng)的十二 種工作模式：速率高速、速率中速、速率低速、速率超低速、位置高速、位置中速、位置低速、 位置超低速、動(dòng)態(tài)仿真高速、動(dòng)態(tài)仿真中速、動(dòng)態(tài)仿真低速、動(dòng)態(tài)仿真超低速。
[0037] (2)建立擬采用的控制策略庫(kù)。
[0038] 控制策略庫(kù)包含控制率庫(kù)與模糊自調(diào)諧器庫(kù)，二者的任意組合構(gòu)成一條控制策 略。模糊自調(diào)諧器可對(duì)控制率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，提高具體控制策略的適應(yīng)能力?？刂撇呗?由控制律生成，同一種控制算法由不同的控制律將生成不同的控制策略，控制性能差別也 很大。模糊自調(diào)諧器的作用是對(duì)控制策略的參數(shù)根據(jù)環(huán)境情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，將增強(qiáng)具 體控制策略對(duì)變化環(huán)境的適應(yīng)能力。
[0039] 朗骨膜控制及模糊自調(diào)諧器為例，由控制率庫(kù)與模糊自調(diào)諧器庫(kù)生成的控制策略 庫(kù)如圖2所示，具體生成方法如下：
[0040] 根據(jù)滑膜控制原理，采用的趨近率不同將導(dǎo)致滑膜控制率趨近運(yùn)動(dòng)的具體軌跡不 同，不同的趨近率對(duì)改善趨近運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)效果不同。本例中采用的趨近率庫(kù)包括等速 趨近率、指數(shù)趨近率、幕次趨近率、一般趨近率。
[0041] 模糊邏輯自適應(yīng)調(diào)諧器是一個(gè)映射關(guān)系集合，考慮到算法的實(shí)時(shí)性，模糊邏輯 自適應(yīng)調(diào)諧器的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單。本例中使用的模糊自適應(yīng)調(diào)諧器具有如下形式：設(shè)s(k)為輸入，q(k)為輸出，映射關(guān)系為：Hq:s化)-〉q化)。模糊自調(diào)諧器過程如下：首先建 立模糊自調(diào)諧器的輸入輸出劃分，輸入劃分包括Jm=INL，NB，醒，Z0,PM，PB，化}、J1。= {NB,NM，Z0,PM，PB}，Jm= (NM，Z0,PM}，輸出劃