專利名稱：一種用于機械裝備的數(shù)字隨動裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機械(武器)裝備數(shù)字隨動裝置和控制方法，特別涉及一種由數(shù)字計算機控制的性能優(yōu)良的適用于機械(武器)裝備的數(shù)字隨動裝置和控制方法。
背景技術(shù)：
隨動裝置廣泛應(yīng)用于機械裝備，如分度轉(zhuǎn)臺、機器人、機加工設(shè)備等，特別在武器裝備中，它與雷達(dá)、指揮儀、方位水平儀、計程儀等組成火控裝置，其作用是驅(qū)動火炮、導(dǎo)彈發(fā)射裝置、激光高能武器、火箭炮發(fā)射裝置等武器裝置達(dá)到高效及時地摧毀敵方目標(biāo)之目的。隨動裝置最必須具備兩種能力，第一個是目標(biāo)發(fā)現(xiàn)的瞬間迅速精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)的能力，即必須具有極為優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)性能；第二個是對目標(biāo)的平穩(wěn)跟蹤能力，即接近靜態(tài)情況下的跟蹤精度。為了獲得優(yōu)良的隨動控制性能，隨動裝置必須采用反饋控制。也就是說，機械 (武器)裝備中運動部件的角位移等相關(guān)運動狀態(tài)信息必須經(jīng)傳感器反饋到隨動裝置輸入端，與隨動指令信號進(jìn)行比較產(chǎn)生誤差信號，然后再由隨動控制器對誤差信號進(jìn)行控制運算后發(fā)出控制信號，對運動部件的方位(俯仰)實施校正。
目前隨動控制器都是在前向控制回路中增加各種誤差的校正運算。但是，前向控制回路中對誤差每增加一種運算，事實上隨動指令信號和反饋信號同時增加了控制運算。 對隨動指令信號的每增加一種運算就相當(dāng)于在隨動裝置的動態(tài)方程的右邊增加一個強迫項，使控制裝置出現(xiàn)多個強迫項。這樣，隨動裝置輸出就不能精確復(fù)現(xiàn)隨動指令信號。在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，機械(武器)裝備瞄準(zhǔn)目標(biāo)所需響應(yīng)時間過長，并存在超調(diào)和振蕩現(xiàn)象；目標(biāo)機動時，機械(武器)裝備不能平穩(wěn)跟蹤，甚至丟失目標(biāo)。
隨著目標(biāo)機動性能的不斷提高，對機械(武器)裝備和隨動裝置的響應(yīng)速度、運行精度、抗干擾能力以及自動化程度等各種性能提出了越來越高的要求。當(dāng)今廣泛使用的傳統(tǒng)的公知的隨動控制方法已不能滿足要求，采用新的隨動裝置勢在必行。特別是計算機的出現(xiàn)為數(shù)字?jǐn)?shù)字隨動裝置的實施創(chuàng)造了條件，隨動裝置如何采用數(shù)字計算機進(jìn)行控制是所要解決的問題之一。
隨動裝置僅僅采用數(shù)字計算機控制并不一定能提高機械(武器)裝備的性能，數(shù)字計算機只是提供了一種手段而已，關(guān)鍵還在于隨動裝置整個控制運算采用什么樣的運算控制方法。因此，數(shù)字隨動裝置中計算機如何實現(xiàn)新穎的運算控制才能獲得優(yōu)良的調(diào)速性能是現(xiàn)有技術(shù)中所要解決的問題之二。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題和缺陷，為進(jìn)一步提高機械(武器)裝備的隨動裝置性能，提供一種新穎的由計算機控制的用于機械裝備的數(shù)字隨動裝置和控制方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實現(xiàn)目的所采取的技術(shù)方案是
一種用于機械裝備的數(shù)字隨動裝置，由數(shù)字控制計算機、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、功率驅(qū)動模塊、隨動執(zhí)行機構(gòu)、光電編碼器和高速計數(shù)模塊組成，其中所述隨動執(zhí)行機構(gòu)由驅(qū)動電機、聯(lián)軸節(jié)和機械(武器)裝備組成；所述數(shù)字控制計算機、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、功率驅(qū)動單元、 驅(qū)動電機、聯(lián)軸節(jié)、機械(武器)裝備、光電編碼器和高速計數(shù)模塊按序順時針方向環(huán)形連接。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的另一個技術(shù)方案是
本發(fā)明的一種用于機械裝備的數(shù)字隨動裝置的控制方法。所述控制方法包括下列步驟
(I)開始，初始化積分器，對積分器清零；
(2)讀取隨動數(shù)字量指令信號值；
(3)采集由光電編碼器送來的隨動輸出數(shù)字量反饋信號值；
(4)將隨動數(shù)字量指令信號值和隨動輸出數(shù)字量反饋信號值進(jìn)行比較得到誤差信號值；
(5)將誤差信號值進(jìn)行累加積分；
(6)將累加積分乘以積分系數(shù)得積分乘積；
(7)將隨動輸出數(shù)字量反饋信號值乘以PDF系數(shù)得PDF乘積；
(8)將積分乘積減去PDF乘積得第一次差值；
(9)將隨動輸出數(shù)字量反饋信號值進(jìn)行差分運算；
(10)將差分結(jié)果乘以差分系數(shù)得差分乘積；
(11)將第一差值再減去差分乘積得第二次差值；
(12)將第二次差值與計算機數(shù)/模轉(zhuǎn)換所對應(yīng)的上下限數(shù)字量進(jìn)行判別并作相應(yīng)處理；
( 13)將所述第二次差值進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換得到模擬量控制信號值，并返回到步驟(2)；
( 14)將模擬量控制信號值輸入到功率驅(qū)動模塊驅(qū)動隨動執(zhí)行機構(gòu)。
由于該隨動統(tǒng)采用與眾不同的計算機控制方法，在前向回路中對誤差信號值實施積分運算和乘法運算，在反饋回路中實現(xiàn)了機械(武器)裝備輸出的多種狀態(tài)信息反饋，大幅度提高了隨動裝置對機械(武器)裝備控制的性能。
本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是
(I)本發(fā)明的用于機械(武器)裝備的數(shù)字隨動裝置結(jié)構(gòu)簡單、控制算法獨特。不僅具有隨動變量本身數(shù)字狀態(tài)信息的反饋，而且具有與隨動變量密切相關(guān)的其它兩個數(shù)字狀態(tài)信息的反饋，總共實現(xiàn)了隨動變量三種數(shù)字狀態(tài)信息的反饋。工程實施中不僅方便易行，而且節(jié)省成本。
( 2 )由于該用于機械(武器)裝備的數(shù)字隨動控制器與眾不同的結(jié)構(gòu)形式和控制算法，提高了隨動裝置的靜態(tài)和動態(tài)性能。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，能夠瞬時瞄準(zhǔn)目標(biāo)，即動態(tài)時對于隨動指令信號的瞬時突變，其響應(yīng)時間短且無超調(diào)和振蕩現(xiàn)象；目標(biāo)機動時，能夠精確跟蹤目標(biāo)；外界環(huán)境干擾和機械負(fù)載變化式，隨動裝置的控制性能變化不敏感。
(3)本發(fā)明中的隨動裝置在隨動執(zhí)行機構(gòu)特性參數(shù)定量識別的基礎(chǔ)上，能夠定量調(diào)整隨動裝置的控制參數(shù)。只要合理調(diào)整控制運算中的積分系數(shù)、PDF系數(shù)和微分系數(shù)，就可獲得優(yōu)良的隨動裝置性能。提高工作效率，減少隨動裝置調(diào)整的盲目性。
(4)本發(fā)明數(shù)字隨動裝置中的驅(qū)動電機與機械(武器)裝備之間無需減速機構(gòu)，驅(qū)動電機能夠直接驅(qū)動機械(武器)裝備。即使慢速跟蹤時也能直接驅(qū)動，跟蹤平穩(wěn)無爬行現(xiàn)象，進(jìn)一步減少機械(武器)裝備的體積和重量。


圖I是本發(fā)明實施例的用于機械(武器)裝備的數(shù)字隨動裝置的構(gòu)成方框圖2是本發(fā)明實施例的用于機械(武器)裝備的數(shù)字隨動裝置的控制方法流程圖。
具體實施例方式
為了加深對本發(fā)明的理解，下面結(jié)合附圖I和附圖2對本發(fā)明的具體實施例作進(jìn)一步的詳細(xì)敘述。
如附圖I所示，是本發(fā)明實施例的用于機械(武器)裝備的數(shù)字隨動裝置構(gòu)成方框圖。該數(shù)字隨動裝置由數(shù)字控制計算機110、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊120，功率驅(qū)動模塊130、隨動執(zhí)行機構(gòu)140、光電編碼器150和高速計數(shù)模塊160組成，其中所述隨動執(zhí)行機構(gòu)140由驅(qū)動電機141、聯(lián)軸節(jié)142和機械(武器)裝備143組成；所述數(shù)字控制計算機110、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊120，功率驅(qū)動模塊130、驅(qū)動電機141、聯(lián)軸節(jié)142、機械(武器)裝備143、光電編碼器150和高速計數(shù)模塊160按序順時針方向環(huán)形連接，組成閉環(huán)的反饋裝置。
如圖2所示，是本發(fā)明實施例的用于機械(武器)裝備的數(shù)字隨動裝置的控制方法流程圖，所述控制方法步驟如下
(I)步驟110對積分器進(jìn)行初始化處理，對積分器清零，即INT=O ；
(2)步驟120讀取隨動數(shù)字量指令信號值Θ R ；
(3)步驟130采集由光電編碼器送來的隨動輸出數(shù)字量反饋信號值Θ F ；
(4)步驟140將隨動數(shù)字量指令信號值Θ R和隨動輸出數(shù)字量反饋信號值Θ F進(jìn)行比較得到誤差信號值，即ER= Θ R- Θ F ;
(5)步驟150對誤差信號值進(jìn)行累加積分，即INT=INT+ER ；
(6)步驟160對累加積分乘以積分系數(shù)Ki得積分乘積Pl=INT*Ki ；
(7)步驟170將隨動輸出數(shù)字量反饋信號值乘以PDF系數(shù)Kf得？0 乘積 P2=ωf*Kf；
(8)步驟180將積分乘積Pl減去PDF乘積P2得第一次差值M=P1_P2 ；
(9)步驟190將光電編碼器送來的隨動輸出數(shù)字量反饋信號值Θ F進(jìn)行差分運算 Ρ3=Δ Θ F/ Δ T ；
(10)步驟200將差分運算結(jié)果乘以差分系數(shù)Kd得差分乘積P3=P3*Kd ；
(11)步驟210進(jìn)行第二次減法運算得第二次差值M=M_P3 ；
(12)步驟220至250將第次二差值與計算機數(shù)/模轉(zhuǎn)換所對應(yīng)的上下限數(shù)字量進(jìn)行判別并作相應(yīng)處理；
(13)步驟260將數(shù)字量差值信號值M轉(zhuǎn)換成模擬量信號值，工作流程同時又返回到步驟120，如此循環(huán)不斷地對隨動裝置進(jìn)行控制運行；
(14)步驟270將模擬量控制信號值輸入到功率驅(qū)動模塊，對驅(qū)動電機進(jìn)行控制從而帶動機械(武器)裝備運動。
本發(fā)明為機械(武器)裝備所提供的數(shù)字隨動控制器由于與眾不同的結(jié)構(gòu)形式和控制算法，隨動裝置具有優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)性能。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，能夠瞬時瞄準(zhǔn)目標(biāo)，即動態(tài)時對于隨動指令信號的瞬時突變，其響應(yīng)時間短且無超調(diào)和振蕩現(xiàn)象；目標(biāo)機動時，能夠精確跟蹤目標(biāo)；此外，該數(shù)字隨動裝置具有很強的抗外界環(huán)境干擾能力。
權(quán)利要求
1.一種用于機械裝備的數(shù)字隨動裝置，其特征在于該裝置由數(shù)字控制計算機、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、功率驅(qū)動模塊、隨動執(zhí)行機構(gòu)、光電編碼器和高速計數(shù)模塊組成，其中所述的隨動執(zhí)行機構(gòu)由驅(qū)動電機、聯(lián)軸節(jié)和機械(武器)裝備組成；所述的數(shù)字控制計算機、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、功率驅(qū)動單元、驅(qū)動電機、聯(lián)軸節(jié)、機械裝備、光電編碼器和高速計數(shù)模塊按序順時針方向環(huán)形連接。
2.一種如權(quán)利要求I所述的用于機械裝備的數(shù)字隨動裝置的控制方法，其特征在于，控制步驟為 (1)開始，初始化積分器，對積分器清零； (2)讀取隨動數(shù)字量指令信號值； (3)采集由光電編碼器送來的隨動輸出數(shù)字量反饋信號值； (4)將隨動數(shù)字量指令信號值和隨動輸出數(shù)字量反饋信號值進(jìn)行比較得到誤差信號值； (5)將誤差信號值進(jìn)行累加積分； (6)將累加積分乘以積分系數(shù)得積分乘積； (7)將隨動輸出數(shù)字量反饋信號值乘以PDF系數(shù)得PDF乘積； (8)將積分乘積減去PDF乘積得第一次差值； (9)將隨動輸出數(shù)字量反饋信號值進(jìn)行差分運算； (10)將差分結(jié)果乘以差分系數(shù)得差分乘積； (11)將第一差值再減去差分乘積得第二次差值； (12)將第二次差值與計算機數(shù)/模轉(zhuǎn)換所對應(yīng)的上下限數(shù)字量進(jìn)行判別并作相應(yīng)處理； (13)將所述第二次差值進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換得到模擬量控制信號值，并返回到步驟(2)； (14)將模擬量控制信號值輸入到功率驅(qū)動模塊驅(qū)動隨動執(zhí)行機構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于機械裝備的數(shù)字隨動裝置及控制方法，該裝置由數(shù)字控制計算機、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、功率驅(qū)動模塊、驅(qū)動電機、聯(lián)軸節(jié)和機械裝備、光電編碼器和高速計數(shù)模塊按序順時針方向環(huán)形相連接組成；其控制方法的步驟為初始化積分器后讀取隨動指令信號和反饋信號，將兩者比較得到誤差信號，將誤差信號累加積分并乘以積分系數(shù)得積分乘積，將反饋信號乘以PDF系數(shù)得PDF乘積，將反饋信號進(jìn)行差分并乘以差分系數(shù)得差分乘積，將積分乘積減去PDF乘積再減差分乘積，所得差值進(jìn)行超限判別和處理，最后將差值進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換得到模擬量控制信號經(jīng)功率驅(qū)動模塊控制機械裝備。
文檔編號G05D3/12GK102929293SQ201210432089
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月2日
發(fā)明者曾文火, 朱鵬程 申請人:江蘇科技大學(xué)