專利名稱：一種用于電動舵機的變參數pid控制電路及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種用于電動舵機的變參數PID控制電路及控制方法，屬于自動控制技術領域。
背景技術：
PID控制是自動控制中應用最為廣泛的ー種控制規律，實際運行經驗和理論分析表明，將這種控制規律用于大多數控制對象能夠得到比較滿意的結果。但是，由于航空制導武器上的電動舵機工作環境存在著大慣性、非線性、強干擾等特性，用一組事先整定的PID參數實施控制難以達到很好的控制效果，尤其當對象參數變化超過一定的范圍時，系統性能會明顯變差，甚至超出許多范圍。
發明內容
本發明的目的是為了進ー步提高電動舵機PID控制的性能，提出一種用于電動舵機的變參數PID控制電路及控制方法，針對動態特性中的不同階段通過引入非線性函數來根據偏差的大小在線調節PID參數，以使系統獲得最佳的控制效果。本發明的目的是通過以下技術方案實現的。本發明的ー種用于電動舵機的變參數PID控制電路，應用于電動舵機控制的閉環系統，電路的輸入端包括互為反相的閉環系統中輸入信號VI與閉環系統中反饋信號VF,輸出端為PID OUT信號也即PID控制結果，變參數PID控制電路由濾波電路、PID電路、加法電路、偏差判斷電路及開關切換電路組成；輸入信號VI與反饋信號VF經過濾波電路后連接在一起井分別進入PID電路和加法電路的輸入端；PID電路包括串聯的積分電路、微分電路和比例放大電路，其輸入端即為輸入信號VI與反饋信號VF經過濾波電路后連接在一起的信號，輸出端為PID_0UT信號也即PID控制
結果;加法電路用于對互為反相的輸入信號VI與反饋信號VF濾波后的結果進行相加，其輸入端為輸入信號VI與反饋信號VF經過濾波電路后連接在一起的信號，輸出端為輸入信號VI與反饋信號VF相加后的偏差結果并送入偏差判斷電路的輸入端；偏差判斷電路中通過引入參考電壓的方式設定了偏差的上限和下限，偏差判斷電路的輸入端為加法電路的輸出端，偏差判斷電路的輸出端進入開關切換電路的輸入端，當 偏差判斷電路判斷其輸入端的偏差結果在上限和下限的范圍之內，則偏差判斷電路的輸出端為低電平，否則為高電平；開關切換電路的輸入端為偏差判斷電路的輸出端，開關切換電路的輸出端有兩組，當開關切換電路的輸入端為高電平吋，兩組輸出端均處于開通狀態，第一組通過投入并聯電阻的方式控制比例放大電路的比例參數，第二組通過投入并聯電容的方式控制積分電路的積分參數；當開關切換電路的輸入端為低電平吋，兩組輸出端均處于關斷狀態，所述并聯電路和并聯電容均不投入PID電路；本發明的ー種用于電動舵機的變參數PID控制電路，其應用時控制方法的步驟為I)對目 標電動舵機閉環系統的控制過程進行數學建模與仿真，仿真過程中以閉環系統中輸入信號與反饋信號的偏差值Λ V的大小調整PID參數使系統控制達到滿足要求的效果為原則，根據仿真結果確定當PID參數切換時輸入信號與反饋信號的偏差值及對應的PID參數表；2)設計變參數PID控制電路，其中開關切換電路中待投入的并聯電阻和并聯電容均采用步驟I)仿真結果中的PID參數表進行數值匹配，偏差判斷電路中引入的表示偏差上限和下限的參考電壓根據步驟I)仿真結果中切換點來確定；3)將步驟2)設計好的變參數PID控制電路引入到電動舵機控制中進行工作，變參數PID控制電路會根據電動舵機閉環系統中的輸入信號與反饋信號的偏差值來控制開關切換電路兩組輸出端的開通與關斷，以實現PID參數的在線調整。有益效果本發明有效地解決了航空制導武器電動舵機在大慣性、非線性、強干擾等工作環境下，用一組事先整定的PID參數實施控制難以達到很好的控制效果的問題。針對動態特性中的不同階段通過引入非線性函數根據偏差的大小在線調節PID參數，以使系統獲得最佳的控制效果。本發明的變參數PID控制電路設計合理、簡單可行，能夠有效的削弱系統抖振、増加系統魯棒性、提高控制精度，保證了系統在不同的控制階段擁有良好的控制品質。
圖I為本發明實施例中變參數PID控制電路的原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進ー步說明。—種用于電動舵機的變參數PID控制電路，電路的輸入端包括互為反相的輸入信號VI與反饋信號VF，輸出端為PID_0UT信號也即PID控制結果，變參數PID控制電路由濾波電路、PID電路、加法電路、偏差判斷電路及開關切換電路組成；輸入信號VI與反饋信號VF經過濾波電路后連接在一起井分別進入PID電路和加法電路的輸入端；PID電路包括串聯的積分電路、微分電路和比例放大電路，其輸入端即為輸入信號VI與反饋信號VF經過濾波電路后連接在一起的信號，輸出端為PID_0UT信號也即PID控制
結果;加法電路用于對互為反相的輸入信號VI與反饋信號VF濾波后的結果進行相加，其輸入端為輸入信號VI與反饋信號VF經過濾波電路后連接在一起的信號，輸出端為輸入信號VI與反饋信號VF相加后的偏差結果并送入偏差判斷電路的輸入端；偏差判斷電路中通過引入參考電壓的方式設定了偏差的上限和下限，偏差判斷電路的輸入端為加法電路的輸出端，偏差判斷電路的輸出端進入開關切換電路的輸入端，當偏差判斷電路判斷其輸入端的偏差結果在上限和下限的范圍之內，則偏差判斷電路的輸出端為低電平，否則為高電平；
開關切換電路的輸入端為偏差判斷電路的輸出端，開關切換電路的輸出端有兩組，當開關切換電路的輸入端為高電平吋，兩組輸出端均處于開通狀態，第一組通過投入并聯電阻的方式控制比例放大電路的比例參數，第二組通過投入并聯電容的方式控制積分電路的積分參數；當開關切換電路的輸入端為低電平吋，兩組輸出端均處于關斷狀態，所述并聯電路和并聯電容均不投入PID電路。實施例如圖I所示，電阻Rl、R2、R3、R4和電容Cl、C2構成濾波電路，其輸入信號分別為互為反相的輸入信號VI與反饋信號VF ;電容C3、電阻R5、R6及運算放大器UlA構成了 PID電路中的積分電路，其中電容C3的大小影響積分參數，電阻R7、R8、R9、電容C4及運算放大器UlB構成了 PID電路中的微分電路，電阻町0、1 11、1 12、1 13及運算放大器仍(構成了 PID電路中的比例放大電路，其中電阻RlO的大小影響比例系數；電阻R14、R15及運算放大器UlD構成了加法電路；運算放大器似4、似8與ニ極管01、02、02、電阻1 16、1 17、1 18、1 19組成了偏差判斷電路，其中運算放大器U2A的比較端正端、運算放大器U2B的比較端負端分別連接表示偏差的上限和下限的參考電壓Vref-、Vref+ ;待切換的并聯電阻Rx、并聯電容Cx和模擬開關U3構成了開關切換電路，模擬開關U3采用了芯片AQW214，模擬開關U3的第一組輸出的兩個輸出端分別為芯片AQW214的引腳7和引腳8，引腳8通過電阻Rx連接到電阻RlO的一端P1，引腳7直接與RlO的一端P2相連，模擬開關U3的第二組輸出的兩個輸出端分別為芯片AQW214的引腳5和引腳6，引腳6通過電容Cx連接到電容C3的一端II，引腳5直接與電容C3的一端12相連；上述一種用于電動舵機的變參數PID控制電路，將其應用于電動舵機的閉環控制系統，其控制方法的步驟為I)對目標電動舵機閉環系統的控制過程進行數學建模與仿真，仿真過程中以閉環系統中輸入信號與反饋信號的偏差值Λ V的大小調整PID參數使系統控制達到滿足要求的效果為原則，根據仿真結果確定當PID參數切換時輸入信號與反饋信號的偏差值及對應的PID參數表；2)設計變參數PID控制電路，其中開關切換電路中待投入的并聯電阻Rx和并聯電容Cx均采用步驟I)仿真結果中的PID參數表進行數值匹配，偏差判斷電路中引入的表示偏差上限和下限的參考電壓Vref+與Vref-根據步驟I)仿真結果中切換點來確定；3)將步驟2)設計好的變參數PID控制電路引入到電動舵機閉環控制中進行工作，變參數PID控制電路會根據電動舵機閉環系統中的輸入信號與反饋信號的偏差值來控制開關切換電路兩組輸出端的開通與關斷，以實現PID參數的在線調整；偏差判斷電路通過電動舵機閉環系統的輸入信號VI與反饋信號VF的偏差值大小來控制開關切換電路中模擬開關兩組輸出的開通與關斷，當偏差值在Vref+與Vref-之間時(默認Vref+大于Vref-)，偏差判斷電路輸出低電平，模擬開關AQW214芯片的兩路輸出均為關斷狀態；當偏差值大于Vref+或小于Vref-時，偏差判斷電路輸出高電平，模擬開關的輸出均為開通狀態，Rx將會與RlO并聯，系統比例增益將加大，同時Cx將與C3并聯，使系統積分效果減弱；當模擬開關輸出斷開時，PID電路中的各參數與Rx和Cx無關。通過上面的流程，PID參數將根據偏差值的大小自動切換PID參數狀態，實現了PID參數的在線變化。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保 護范圍之內。
權利要求
1.一種用于電動舵機的變參數PID控制電路,應用于電動舵機控制的閉環系統，電路的輸入端包括互為反相的閉環系統中輸入信號VI與閉環系統中反饋信號VF,輸出端為PID_OUT信號也即PID控制結果，其特征在于 變參數PID控制電路由濾波電路、PID電路、加法電路、偏差判斷電路及開關切換電路組成； 輸入信號VI與反饋信號VF經過濾波電路后連接在一起并分別進入PID電路和加法電路的輸入端； PID電路包括串聯的積分電路、微分電路和比例放大電路，其輸入端即為輸入信號VI與反饋信號VF經過濾波電路后連接在一起的信號，輸出端為PID_OUT信號也即PID控制結果; 加法電路用于對互為反相的輸入信號VI與反饋信號VF濾波后的結果進行相加，其輸入端為輸入信號VI與反饋信號VF經過濾波電路后連接在一起的信號，輸出端為輸入信號VI與反饋信號VF相加后的偏差結果并送入偏差判斷電路的輸入端； 偏差判斷電路中通過引入參考電壓的方式設定了偏差的上限和下限，偏差判斷電路的輸入端為加法電路的輸出端，偏差判斷電路的輸出端進入開關切換電路的輸入端，當偏差判斷電路判斷其輸入端的偏差結果在上限和下限的范圍之內，則偏差判斷電路的輸出端為低電平，否則為高電平； 開關切換電路的輸入端為偏差判斷電路的輸出端，開關切換電路的輸出端有兩組，當開關切換電路的輸入端為高電平時，兩組輸出端均處于開通狀態，第一組通過投入并聯電阻的方式控制比例放大電路的比例參數，第二組通過投入并聯電容的方式控制積分電路的積分參數；當開關切換電路的輸入端為低電平時，兩組輸出端均處于關斷狀態，所述并聯電路和并聯電容均不投入PID電路。
2.根據權利要求I所述的一種用于電動舵機的變參數PID控制電路，其特征在于其應用時控制方法的步驟為 1)對目標電動舵機閉環系統的控制過程進行數學建模與仿真，仿真過程中根據閉環系統中輸入信號與反饋信號的偏差值的大小來調整PID參數，以使系統控制達到滿足要求的效果為原則，根據仿真結果確定當PID參數切換時輸入信號與反饋信號的偏差值及對應的PID參數表； 2)設計變參數PID控制電路，其中開關切換電路中待投入的并聯電阻和并聯電容均采用步驟I)仿真結果中的PID參數表進行數值匹配，偏差判斷電路中引入的表示偏差上限和下限的參考電壓根據步驟I)仿真結果中切換點來確定； 3)將步驟2)設計好的變參數PID控制電路引入到電動舵機控制中進行工作，變參數PID控制電路會根據電動舵機閉環系統中的輸入信號與反饋信號的偏差值來控制開關切換電路兩組輸出端的開通與關斷，以實現PID參數的在線調整。
全文摘要
本發明涉及一種用于電動舵機的變參數PID控制電路及控制方法，屬于自動控制技術領域。變參數PID控制電路由濾波電路、PID電路、加法電路、偏差判斷電路及開關切換電路組成，偏差判斷電路通過電動舵機閉環系統的輸入信號與反饋信號的偏差值大小來控制開關切換電路中模擬開關兩組輸出的開通與關斷，以此來控制是否投入并聯電阻并聯電容到PID電路中，從而實現PID參數的在線調整。本發明解決了航空制導武器電動舵機在大慣性、非線性、強干擾等工作環境下，用一組事先整定的PID參數實施控制難以達到很好的控制效果的問題，電路設計合理、簡單可行，能夠有效的削弱系統抖振、增加系統魯棒性、提高控制精度，保證了系統在不同的控制階段擁有良好的控制品質。
文檔編號G05D13/60GK102622001SQ20121003550
公開日2012年8月1日 申請日期2012年2月17日 優先權日2012年2月17日
發明者周大明, 孫立偉, 李源, 楊春秋, 石建國, 程國峰, 閆霞 申請人:哈爾濱建成集團有限公司