一種多參數測試儀器多模式寬速率無縫切換方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種多參數測試儀器的模式切換控制方法。
【背景技術】
[0002] 多參數測試儀器全稱為高精度慣性器件多參數測試儀器，是仿真轉臺的進一步發 展，在仿真轉臺的基礎上集成了巧螺儀與加速度計。其機構包括基座、框架、精密軸承、轉 軸、法蘭盤、滑環、電機等，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，由大功率力矩電機提供驅動力，進行多 軸的精密回轉運動。滑環完成多模信號同步隨動傳輸、電機提供驅動力矩，控制單元進行高 精密多模式控制，其主要作用是光纖、激光、機械、捷連慣組多模測試與標定。控制單元是多 參數測試儀器的電氣控制主體，包括多模態激勵、驅動、測角、多模信號傳輸、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鍵技術。
[0003] 多參數測試儀器的應用對象較多，根據多參數測試儀器的性能指標要求， 多參數測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)。由于運動控制卡忍片接收編碼器脈沖數時，具有最大頻率，受到運個最 大頻率的限制，編碼器的細分倍數不能是恒定的，是需要變化的。針對多參數測試儀器的寬 速率范圍要求，編碼器細分倍數的變化將導致儀器分辨率，尤其是反饋特性的改變，進而影 響控制策略的有效性。測試儀器多模式寬速率高精度的指標特性客觀要求控制策略能夠進 行自主無縫切換，W適應多參數測試儀器的特殊性能需求，而多參數儀器的運行特性導致 沒有一種普遍適用的控制策略能夠在多模式，寬速率范圍內對儀器進行有效控制。
[0004] 目前，多參數測試儀器的工作模式切換包括兩個步驟：（1)切換儀器的分辨率； (2)對控制策略簡單調整參數。現有方法存在如下=個問題：（1)在低速與高速切換時系統 抖振明顯；（2)不同工作模式下使用同一種控制策略，無法根據系統的工作狀態來達到最 優控制；（3)系統切換過后無自適應調整過程，在不同工作環境下適應性不好。

【發明內容】

[0005] 本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種多參數測試儀器多 模式寬速率無縫切換方法，該方法克服了多參數儀器模式切換時系統抖振明顯，對多工作 模式在惡劣環境下適應性差的問題，能夠滿足多參數儀器多模式高精度寬速率無縫切換的 要求。
[0006] 本發明的技術解決方案是：一種多參數測試儀器多模式寬速率無縫切換方法，包 括如下步驟：
[0007] (1)將多參數測試儀器的速率范圍進行nl等分，得到nl個速率區間，同時將多參 數測試儀器的工作方式與nl個速率區間進行兩兩任意組合，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、動態仿真工作方式；
[0008] nl個速率區間分別為：
[0009]
[0010] 其中：
M為多參數測試儀器的帶寬，n為多參數測試儀器的線 數，k為細分倍數。
[0011] (2)建立多參數測試儀器的控制策略庫；所述的控制策略庫由控制策略構成，控 制策略包含控制率與模糊自調諧器的組合，所述的模糊自調諧器對控制率進行自適應調 整；所述的控制率對多參數測試儀器在確定工作模式下的運行進行控制，為滑膜控制率；
[0012] (3)建立多參數測試儀器的模型，對于步驟（1)的3nl種工作模式，采用計算機仿 真的方式對步驟（2)中控制策略庫的每一條控制策略進行逐一驗證，查找到能夠滿足要求 的工作模式與控制策略的組合，并將組合寫入準模式切換查找表；
[0013] (4)利用多參數測試儀器對準模式切換表進行實際驗證，找出每一種工作模式下 唯一的最優的控制策略，并寫入模式切換查找表；
[0014] (5)在多參數測試儀器實際運行過程中，根據多參數測試儀器的實際工作模式，查 找模式切換查找表，并根據模式切換查找表選擇最優控制策略進行無縫切換控制。
[0015] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0016] (1)本發明根據多參儀器運行狀態、指標要求與控制策略的相關性，通過經過事先 驗證的模式切換查找表選擇最優的控制策略，解決了多參儀器不同工作模式下使用同一種 控制策略，無法根據系統的工作狀態來達到最優控制的難題；
[0017] (2)本發明方法結合儀器當前工作狀態、性能指標、最優模式切換查找表來選擇最 優控制策略，使儀器系統時刻處于最優工作狀態，可W在多模式下有效的實現儀器系統的 性能指標要求，最大限度的發揮儀器系統的性能，保證多參儀器對各種測試環境的適應性， 方法簡單、有效、切換智能，適應性強，自動化程度高； 陽01引 （3)本發明方法利用事先驗證過的存儲在內存中的模式切換查找表進行控制策略 切換，方法簡單，實時性好，切換準確、可靠，可W充分利用事前驗證切換策略的有效性，可W充分利用已有先驗的知識，出錯幾率可W人為降到最低，切換過程接近于實際情況；
[0019] (4)本發明方法充分考慮了采用其它智能算法進行控制策略切換會產生的不確定 性，無預知性，利用該查找表進行模式切換，切換過程精細、快速、準確，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境下的性能指標不降低，通過大量的預先驗證 可W保證切換過程準確、可靠。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明方法的流程框圖；
[0021] 圖2為本發明模式切換查找表建立流程圖；
[0022] 圖3為本發明控制策略仿真控制結構圖。
【具體實施方式】
[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；根據慣性器件的 測試要求，在運行模式（位置、速率、伺服）之間的良好切換。
[0024] 近年來測試儀器的功能不斷擴展，運對其控制系統地適應性提出了更高的要求， 控制系統的軟硬件性能不斷提高W及各種先進控制算法如：滑膜控制、模糊控制的不斷成 熟，為在多參數儀器控制系統方案設計中采用復雜控制策略創造了條件，進而為復雜的控 制策略設計提供了基礎。
[00巧]本發明的原理是：多參數儀器的控制策略不能僅采用一種，同一種控制策略對于 多參數儀器不同工作模式及運行速率、精度要求不能做到同時滿足。而多參數儀器在一次 工作中須完成多項任務。因此可根據多參數儀器在某時刻的任務需求選擇經過驗證的最優 控制策略，而在控制策略選定后，根據速率范圍及精度要求使用多種不相關自調諧方法對 具體控制律進行自適應調整。總體而言，該方法先根據系統工作狀態選擇控制策略，然后根 據性能指標自適應調節控制律，達到對多模式，寬速率、高精度等任務要求的無縫切換。 [00%] 如圖1所示，本發明多參數測試儀器多模式寬速率無縫切換方法步驟如下：
[0027] (1)建立系統工作模式表。
[0028] 多參數測試儀器按功能分為=個工作方式：速率工作方式、位置工作方式、動態仿 真工作方式。儀器的速率是系統在=種工作模式下進行模式再細分的重要指標，因為它與 儀器的帶寬、分辨率有密切的關系。換句話說，儀器的帶寬、儀器的分辨率決定了儀器的最 大可運行速率。如果儀器的最大運行速率超出了由儀器帶寬及儀器分辨率所決定的可運行 速率范圍，則必須對儀器的模式進行切換。因此，儀器的運行速率是進行更精細的模式切換 的關鍵指標。
[0029] 根據儀器對象編碼器線數、當前細分倍數及儀器帶寬，速率范圍劃分按如下公式 進行：
[0030]
[0031] 式中，V表示儀器運行速率，M表示儀器帶寬，n表示編碼器線數，k表示細分倍數， 儀器分辨率為nXk，由上式可W計算系統最大速率。例如，編碼器的線數是23600線，當細 分倍數為1000倍時，系統帶寬只有10M脈沖/s，此時速率能達到的最大值是152°/s;當 細分倍數為500倍時，此時速率能達到的最大值是304° /s。
[0032] 本發明中系統的速率范圍劃分時，按照系統帶寬等距劃分，假設系統帶寬為M，系 統速率范圍劃分為nl，則速率間隔采用下式計算：
[0033]
[0034] 系統的速率劃分按下式計算：
[0035]
[0036] 根據多參數測試儀器工作方式及速率范圍的劃分，就可W構建系統模式組合并導 出系統工作模式表。系統工作模式表的生成如圖2所示。本例中為了保證多參數測試儀器 能夠針對不同速率段進行控制策略切換，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、動態仿真高速、動態仿真中速、動態仿真低速、動態仿真超低速。
[0037] (2)建立擬采用的控制策略庫。
[0038] 控制策略庫包含控制率庫與模糊自調諧器庫，二者的任意組合構成一條控制策 略。模糊自調諧器可對控制率進行自適應調整，提高具體控制策略的適應能力。控制策略 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。模糊自調諧器的作用是對控制策略的參數根據環境情況進行自適應調整，將增強具 體控制策略對變化環境的適應能力。
[0039] 朗骨膜控制及模糊自調諧器為例，由控制率庫與模糊自調諧器庫生成的控制策略 庫如圖2所示，具體生成方法如下：
[0040] 根據滑膜控制原理，采用的趨近率不同將導致滑膜控制率趨近運動的具體軌跡不 同，不同的趨近率對改善趨近運動的動態品質效果不同。本例中采用的趨近率庫包括等速 趨近率、指數趨近率、幕次趨近率、一般趨近率。
[0041] 模糊邏輯自適應調諧器是一個映射關系集合，考慮到算法的實時性，模糊邏輯 自適應調諧器的結構應盡量簡單。本例中使用的模糊自適應調諧器具有如下形式：設s(k)為輸入，q(k)為輸出，映射關系為：Hq:s化)-〉q化)。模糊自調諧器過程如下：首先建 立模糊自調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