专利名称：一种用于机械装备的数字随动装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种机械(武器)装备数字随动装置和控制方法，特别涉及一种由数字计算机控制的性能优良的适用于机械(武器)装备的数字随动装置和控制方法。
背景技术：
随动装置广泛应用于机械装备，如分度转台、机器人、机加工设备等，特别在武器装备中，它与雷达、指挥仪、方位水平仪、计程仪等组成火控装置，其作用是驱动火炮、导弹发射装置、激光高能武器、火箭炮发射装置等武器装置达到高效及时地摧毁敌方目标之目的。随动装置最必须具备两种能力，第一个是目标发现的瞬间迅速精确瞄准目标的能力，即必须具有极为优良的动态响应性能；第二个是对目标的平稳跟踪能力，即接近静态情况下的跟踪精度。为了获得优良的随动控制性能，随动装置必须采用反馈控制。也就是说，机械 (武器)装备中运动部件的角位移等相关运动状态信息必须经传感器反馈到随动装置输入端，与随动指令信号进行比较产生误差信号，然后再由随动控制器对误差信号进行控制运算后发出控制信号，对运动部件的方位(俯仰)实施校正。
目前随动控制器都是在前向控制回路中增加各种误差的校正运算。但是，前向控制回路中对误差每增加一种运算，事实上随动指令信号和反馈信号同时增加了控制运算。 对随动指令信号的每增加一种运算就相当于在随动装置的动态方程的右边增加一个强迫项，使控制装置出现多个强迫项。这样，随动装置输出就不能精确复现随动指令信号。在发现目标时，机械(武器)装备瞄准目标所需响应时间过长，并存在超调和振荡现象；目标机动时，机械(武器)装备不能平稳跟踪，甚至丢失目标。
随着目标机动性能的不断提高，对机械(武器)装备和随动装置的响应速度、运行精度、抗干扰能力以及自动化程度等各种性能提出了越来越高的要求。当今广泛使用的传统的公知的随动控制方法已不能满足要求，采用新的随动装置势在必行。特别是计算机的出现为数字数字随动装置的实施创造了条件，随动装置如何采用数字计算机进行控制是所要解决的问题之一。
随动装置仅仅采用数字计算机控制并不一定能提高机械(武器)装备的性能，数字计算机只是提供了一种手段而已，关键还在于随动装置整个控制运算采用什么样的运算控制方法。因此，数字随动装置中计算机如何实现新颖的运算控制才能获得优良的调速性能是现有技术中所要解决的问题之二。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中存在的问题和缺陷，为进一步提高机械(武器)装备的随动装置性能，提供一种新颖的由计算机控制的用于机械装备的数字随动装置和控制方法。
为了达到上述目的，本发明实现目的所采取的技术方案是
一种用于机械装备的数字随动装置，由数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动模块、随动执行机构、光电编码器和高速计数模块组成，其中所述随动执行机构由驱动电机、联轴节和机械(武器)装备组成；所述数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动单元、 驱动电机、联轴节、机械(武器)装备、光电编码器和高速计数模块按序顺时针方向环形连接。
为了达到上述目的，本发明采用的另一个技术方案是
本发明的一种用于机械装备的数字随动装置的控制方法。所述控制方法包括下列步骤
(I)开始，初始化积分器，对积分器清零；
(2)读取随动数字量指令信号值；
(3)采集由光电编码器送来的随动输出数字量反馈信号值；
(4)将随动数字量指令信号值和随动输出数字量反馈信号值进行比较得到误差信号值；
(5)将误差信号值进行累加积分；
(6)将累加积分乘以积分系数得积分乘积；
(7)将随动输出数字量反馈信号值乘以PDF系数得PDF乘积；
(8)将积分乘积减去PDF乘积得第一次差值；
(9)将随动输出数字量反馈信号值进行差分运算；
(10)将差分结果乘以差分系数得差分乘积；
(11)将第一差值再减去差分乘积得第二次差值；
(12)将第二次差值与计算机数/模转换所对应的上下限数字量进行判别并作相应处理；
( 13)将所述第二次差值进行数/模转换得到模拟量控制信号值，并返回到步骤(2)；
( 14)将模拟量控制信号值输入到功率驱动模块驱动随动执行机构。
由于该随动统采用与众不同的计算机控制方法，在前向回路中对误差信号值实施积分运算和乘法运算，在反馈回路中实现了机械(武器)装备输出的多种状态信息反馈，大幅度提高了随动装置对机械(武器)装备控制的性能。
本发明的优点和有益效果是
(I)本发明的用于机械(武器)装备的数字随动装置结构简单、控制算法独特。不仅具有随动变量本身数字状态信息的反馈，而且具有与随动变量密切相关的其它两个数字状态信息的反馈，总共实现了随动变量三种数字状态信息的反馈。工程实施中不仅方便易行，而且节省成本。
( 2 )由于该用于机械(武器)装备的数字随动控制器与众不同的结构形式和控制算法，提高了随动装置的静态和动态性能。发现目标时，能够瞬时瞄准目标，即动态时对于随动指令信号的瞬时突变，其响应时间短且无超调和振荡现象；目标机动时，能够精确跟踪目标；外界环境干扰和机械负载变化式，随动装置的控制性能变化不敏感。
(3)本发明中的随动装置在随动执行机构特性参数定量识别的基础上，能够定量调整随动装置的控制参数。只要合理调整控制运算中的积分系数、PDF系数和微分系数，就可获得优良的随动装置性能。提高工作效率，减少随动装置调整的盲目性。
(4)本发明数字随动装置中的驱动电机与机械(武器)装备之间无需减速机构，驱动电机能够直接驱动机械(武器)装备。即使慢速跟踪时也能直接驱动，跟踪平稳无爬行现象，进一步减少机械(武器)装备的体积和重量。
图I是本发明实施例的用于机械(武器)装备的数字随动装置的构成方框图2是本发明实施例的用于机械(武器)装备的数字随动装置的控制方法流程图。
具体实施例方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图I和附图2对本发明的具体实施例作进一步的详细叙述。
如附图I所示，是本发明实施例的用于机械(武器)装备的数字随动装置构成方框图。该数字随动装置由数字控制计算机110、数/模转换模块120，功率驱动模块130、随动执行机构140、光电编码器150和高速计数模块160组成，其中所述随动执行机构140由驱动电机141、联轴节142和机械(武器)装备143组成；所述数字控制计算机110、数/模转换模块120，功率驱动模块130、驱动电机141、联轴节142、机械(武器)装备143、光电编码器150和高速计数模块160按序顺时针方向环形连接，组成闭环的反馈装置。
如图2所示，是本发明实施例的用于机械(武器)装备的数字随动装置的控制方法流程图，所述控制方法步骤如下
(I)步骤110对积分器进行初始化处理，对积分器清零，即INT=O ；
(2)步骤120读取随动数字量指令信号值Θ R ；
(3)步骤130采集由光电编码器送来的随动输出数字量反馈信号值Θ F ；
(4)步骤140将随动数字量指令信号值Θ R和随动输出数字量反馈信号值Θ F进行比较得到误差信号值，即ER= Θ R- Θ F ;
(5)步骤150对误差信号值进行累加积分，即INT=INT+ER ；
(6)步骤160对累加积分乘以积分系数Ki得积分乘积Pl=INT*Ki ；
(7)步骤170将随动输出数字量反馈信号值乘以PDF系数Kf得？0 乘积 P2=ωf*Kf；
(8)步骤180将积分乘积Pl减去PDF乘积P2得第一次差值M=P1_P2 ；
(9)步骤190将光电编码器送来的随动输出数字量反馈信号值Θ F进行差分运算 Ρ3=Δ Θ F/ Δ T ；
(10)步骤200将差分运算结果乘以差分系数Kd得差分乘积P3=P3*Kd ；
(11)步骤210进行第二次减法运算得第二次差值M=M_P3 ；
(12)步骤220至250将第次二差值与计算机数/模转换所对应的上下限数字量进行判别并作相应处理；
(13)步骤260将数字量差值信号值M转换成模拟量信号值，工作流程同时又返回到步骤120，如此循环不断地对随动装置进行控制运行；
(14)步骤270将模拟量控制信号值输入到功率驱动模块，对驱动电机进行控制从而带动机械(武器)装备运动。
本发明为机械(武器)装备所提供的数字随动控制器由于与众不同的结构形式和控制算法，随动装置具有优良的静态和动态性能。发现目标时，能够瞬时瞄准目标，即动态时对于随动指令信号的瞬时突变，其响应时间短且无超调和振荡现象；目标机动时，能够精确跟踪目标；此外，该数字随动装置具有很强的抗外界环境干扰能力。
权利要求
1.一种用于机械装备的数字随动装置，其特征在于该装置由数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动模块、随动执行机构、光电编码器和高速计数模块组成，其中所述的随动执行机构由驱动电机、联轴节和机械(武器)装备组成；所述的数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动单元、驱动电机、联轴节、机械装备、光电编码器和高速计数模块按序顺时针方向环形连接。
2.一种如权利要求I所述的用于机械装备的数字随动装置的控制方法，其特征在于，控制步骤为 (1)开始，初始化积分器，对积分器清零； (2)读取随动数字量指令信号值； (3)采集由光电编码器送来的随动输出数字量反馈信号值； (4)将随动数字量指令信号值和随动输出数字量反馈信号值进行比较得到误差信号值； (5)将误差信号值进行累加积分； (6)将累加积分乘以积分系数得积分乘积； (7)将随动输出数字量反馈信号值乘以PDF系数得PDF乘积； (8)将积分乘积减去PDF乘积得第一次差值； (9)将随动输出数字量反馈信号值进行差分运算； (10)将差分结果乘以差分系数得差分乘积； (11)将第一差值再减去差分乘积得第二次差值； (12)将第二次差值与计算机数/模转换所对应的上下限数字量进行判别并作相应处理； (13)将所述第二次差值进行数/模转换得到模拟量控制信号值，并返回到步骤(2)； (14)将模拟量控制信号值输入到功率驱动模块驱动随动执行机构。
全文摘要
本发明公开了一种用于机械装备的数字随动装置及控制方法，该装置由数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动模块、驱动电机、联轴节和机械装备、光电编码器和高速计数模块按序顺时针方向环形相连接组成；其控制方法的步骤为初始化积分器后读取随动指令信号和反馈信号，将两者比较得到误差信号，将误差信号累加积分并乘以积分系数得积分乘积，将反馈信号乘以PDF系数得PDF乘积，将反馈信号进行差分并乘以差分系数得差分乘积，将积分乘积减去PDF乘积再减差分乘积，所得差值进行超限判别和处理，最后将差值进行数/模转换得到模拟量控制信号经功率驱动模块控制机械装备。
文档编号G05D3/12GK102929293SQ201210432089
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月2日 优先权日2012年11月2日
发明者曾文火, 朱鹏程 申请人:江苏科技大学