一种基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法

1.本发明属于常规弹药弹道修正控制技术领域，具体涉及一种基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法。


背景技术：

2.随着科学技术的逐步发展，现代战争模式和战场空间发生了根本性变化，远距离发射、超视距打击成为了现代化战争的主要作战方式，高精度、低成本成为现代军事装备的一大发展趋势。为了满足战争的需求，具备一定弹道修正能力的弹道修正弹应运而生。相比于导弹，弹道修正弹只需要将原有炮弹的引信替换为弹道修正组件即可，无需进行较大改动，因此成本低廉，技术较为简单。
3.基于双旋结构的弹道修正弹近年来得到广泛应用，弹丸总体由弹道修正组件和主弹体通过滚转轴承连接组成。在双旋弹发射之后，其前体受同轴电机或舵片气动控制，迅速变为低速旋转甚至相对地面保持静止。而主弹体则几乎不受影响，继续保持高速旋转。弹道修正组件的低速旋转或者静止状态有利于弹载计算机更加精确地测量弹道诸元和设计控制系统，是提高系统控制精度的关键；而主弹体的高速旋转状态对弹丸的稳定飞行也起着决定性作用。
4.近年来，弹道修正组件控制算法不断更新优化，但是大多是在传统pid算法的基础上进行算法改进的，比如模糊逻辑pid控制、神经网络pid控制等算法。虽然改进型pid算法由于各种算法的组合运用而蓬勃发展，但是这些算法在使用过程中都有限制条件。常规的pi控制算法控制精度有限；pid控制算法要求系统的线性度较好；改进型的pid算法要求处理器的计算能力强
……
除此之外，基于双旋结构的弹道修正弹药，由于主弹体和固定舵之间的耦合，固定舵的运动状态会受到主弹体高速旋转的影响，对固定舵的控制造成不利影响，要求前体的控制精度和灵敏度更高，以上算法均未有效解决这一问题。
5.锁相环是一个能够自动、连续调整输出信号相位，使其与目标信号相位时刻保持一致的闭环自动控制系统。相比于常规的pid控制算法，锁相跟踪算法将相位信息作为控制信号，相位信息通过转速积分获得。当测速部件测量的转速出现抖动时，即使测量的转速存在稳态误差，积分所得的相位仍然是无差的，很小的瞬时高频抖动，不会对整体精度产生影响，因此锁相控制系统具有稳态精度高这一优势。当以固定舵和主弹体之间的相对滚转信号作为反馈信号时，相对滚转信号测量过程中直接考虑了主弹体高速旋转对固定舵的影响，在锁相跟踪的过程中对这一误差进行了直接补偿，系统控制精度更高。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法，能够弥补双旋结构弹药前后体耦合、传统pid控制算法限制条件较多、控制精度有限等问题，能够精确测量双旋体转速和相位，实时调整控制参数，提高系统控制精度，实现前体相对于地面静止的控制效果。
7.实现本发明的技术方案如下：
8.一种基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法，首先通过绝对滚转信号测量模块和相对滚转信号测量模块测量得到主弹体绝对滚转信号以及含有主弹体、固定舵耦合信息的相对滚转信号，以绝对滚转信号作为锁相跟踪的目标信号，以相对滚转信号作为锁相跟踪的反馈信号。对主弹体绝对滚转信号进行频率检测，为实现锁频做准备。鉴于不同的频率检测方法适用频率范围不同，先使用快速傅里叶变换的方法检测主弹体绝对滚转信号，然后对检测结果进行判别。当结果属于低转速时，由于快速傅里叶变换方法低频率检测精度较低，所以此结果误差较大，再通过适用低转速检测的过零检测方法对主弹体绝对滚转信号重新进行频率检测，检测结果记为锁频值；
9.频率检测之后，使用基于iq解调的二阶锁频环辅助三阶锁相环组合跟踪环路对主弹体滚转信号进行锁相跟踪。将测量到的前后体相对滚转信号作为同相反馈信号，90
°
相变以后的信号作为正交反馈信号。二者分别与主弹体绝对滚转信号进行混频，混频后的结果分别进行相干积分时间长度的积分，然后利用反正切的方式计算鉴频误差和鉴相误差，得到计算结果后，将积分结果清零，重新积分。之后对鉴频误差和鉴相误差进行组合环路滤波，将滤波结果作为目标转速控制信号驱动永磁同步电机控制固定舵转动。
10.将转矩给定值置为常量，磁通给定值置为零，对目标速度信息积分去整得到电角度，参与后续矢量控制。使用传感器测量得到驱动电机的三相定子电流，根据电流值对其进行clark变换和park变换，得到实时的转矩值和磁通值。将给定值与实时值进行比较得到转矩误差和磁通误差，再经过pi调节得到旋转坐标系的两路电压分量。之后进一步对其进行反park变换和svpwm算法，最终得到三路pwm控制信号，驱动三相逆变桥输出相应的三相定子电流，进而调整电机转速，控制固定舵的滚转。编码器对主弹体和固定舵之间的相对滚转信号进行实时测量，并反馈给锁相跟踪算法，形成闭环控制。
11.进一步地，使用锁相跟踪算法对基于双旋结构的弹道修正弹药的固定舵进行滚转控制。以主弹体绝对滚转信号作为锁相跟踪算法的输入信号，以包含主弹体和固定舵之间耦合信息的相对滚转信号作为锁相跟踪算法的反馈信号。
12.进一步地，在进行频率检测时，根据主弹体绝绝对滚转信号的频率高低，将其分为高速旋转和低速旋转。当主弹体的滚转速度为高转速时，使用快速傅里叶变换的方法进行频率检测；当主弹体的滚转速度为低转速时，使用过零检测的方法检测频率。
13.进一步地，使用基于iq解调的二阶锁频辅助三阶锁相组合环路跟踪方法对双旋体主弹体滚转信号进行跟踪；
14.进一步地，在进行组合环路跟踪时，根据主弹体绝对滚转信号的不同频率，自适应调节相干积分时间和环路滤波参数；
15.进一步地，在锁相跟踪过程中，将鉴相误差进行分级，根据误差的大小将其归入不同的级别。然后对连续若干个参考信号周期内的误差级别进行统计分析。将统计结果分为精跟踪、粗跟踪和失锁等不同的状态。当判断锁相环失锁时，重新进行锁频。
16.进一步地，将组合环路跟踪结果作为目标速度信息，对其积分，去整后得到电角度信息，进而驱动永磁同步电机控制固定舵旋转。
17.进一步地，采用固定磁轴电流，以修改电角度，进而拖动电机的永磁同步电机控制方法。对目标速度信息解算得到电角度，将转矩给定值置为常量，磁通给定值置为零，进而
使用矢量控制算法控制永磁同步电机。
18.进一步地，锁相跟踪算法与矢量控制算法形成单环双效的新闭环控制。锁相跟踪算法对主弹体绝对滚转信号和主弹体、固定舵之间的相对滚转信号进行鉴频鉴相和二阶锁频辅助三阶锁相的环路组合滤波，对同时包含频率和相位信息的组合环路跟踪结果进行解算，根据解算结果对固定舵进行滚转控制。相对滚转信号测量模块实时测量主弹体与固定舵的相对滚转信号，并将其反馈到锁相跟踪算法中，对固定舵的转速和滚转角进行单闭环控制。
19.有益效果：
20.1、本发明使用锁相跟踪算法对基于双旋结构的弹道修正弹药的固定舵进行控制。双旋结构中，由于前后体之间的耦合，固定舵的运动会受到主弹体高速转动的影响，不利于固定舵的控制。本发明以主弹体的绝对滚转信号作为目标信号，以固定舵和主弹体之间的相对滚转信号作为反馈信号，相对滚转信号的测量过程中考虑了主弹体高速旋转对固定舵的影响，并在锁相跟踪过程中对其进行了直接补偿，双旋结构下算法精度更高。
21.2、本发明中锁相跟踪算法精确跟踪主弹体绝对滚转信号的频率和相位信息，以锁相跟踪算法与矢量控制算法形成的新闭环同时具备传统电机控制方法中速度环和位置环的双重效果，可同时实现固定舵转速和滚转角的控制。新的闭环控制算法降低了运算量和系统复杂度。
22.3、本发明利用锁相跟踪算法对主弹体绝对滚转信号进行跟踪。该算法将相位信息作为控制信号，相位信息通过转速积分获得。当测速部件测量的转速出现抖动时，即使测量的转速存在稳态误差，积分所得的相位仍然是无差的，很小的瞬时高频抖动，不会对整体精度产生影响，稳态精度高。
23.4、本发明根据主弹体的转速，将频率检测方法分为高转速适用的快速傅里叶变换频率检测方法，以及低转速适用的过零检测方法，能够有效地提高不同转速下的频率检测精度，给出正确的锁频值。
24.5、本发明将iq解调与组合跟踪方法结合，使用基于iq解调的二阶锁频辅助三阶锁相组合环路跟踪方法，鉴频结果最为准确且与信号幅值无关；可以在高动态、高噪声环境下对主弹体滚转信号实现精准、快速地跟踪。
25.6、本发明根据主弹体的不同转速，自适应调节相干积分时间和环路滤波参数，保证滤波效果和控制精度的同时，使锁相跟踪系统具有良好的动态性能。
26.7、本发明在每个鉴相周期都采用多级锁相法对鉴相误差进行不同跟踪层次的判别，能够在失锁之后，很快地进行捕获、跟踪、锁定，以保证锁相跟踪系统的动态稳定性能。
附图说明
27.图1为控制方法整体框图。
28.图2为频率检测局部框图。
29.图3为基于iq解调的二阶锁频辅助三阶锁相环路框图。
30.图4为磁场定向控制电机局部框图。
具体实施方式
31.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
32.本发明提供了一种基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法，本发明中采用的控制算法为基于iq解调的二阶锁频辅助三阶锁相组合环路跟踪算法和固定磁轴电流，设置电角度拖动电机的永磁同步电机矢量控制算法，具体的技术方案如下：
33.其工作流程图如图1所示。该方法主要实现步骤如下：
34.步骤1：首先利用地磁传感器测得主弹体的滚转信号，再通过快速傅里叶变换方法对主弹体滚转信号进行频率检测，如图2所示。若检测结果大于10转每秒，则直接将检测结果记为锁频值f；否则，利用过零检测方法对其重新进行频率检测，将结果记为锁频值f；
35.步骤2：利用编码器测量含有主弹体、固定舵耦合信息的前后体相对滚转信号；如图3所示，将主弹体绝对滚转信号作为iq解调的输入信号ui(n)，相对滚转信号及其90
°
相变信号分别作为iq解调的同相反馈信号u
os
(n)和正交反馈信号u
oc
(n)。输入信号、同相反馈信号和正交反馈信号分别表达成：
36.ui(n)＝asin(ωin+θi)(1)
37.u
os
(n)＝sin(ωon+θo)(2)
38.u
oc
(n)＝cos(ωon+θo)(3)
39.步骤3：输入信号ui(n)分别与同相信号u
os
(n)、正交信号u
oc
(n)进行相关运算，忽略掉高频成分的相关结果i(n)和q(n)分别为
40.i(n)＝0.5acos(ωe(n)t(n)+θe)(4)
41.q(n)＝0.5asin(ωe(n)t(n)+θe)(5)
42.其中ωe和θe分别为主弹体绝对滚转信号和前后体之间相对滚转信号的频率差异和初相位差异；
43.步骤4：将同相支路和正交支路的相关结果送入积分器进行相干积累运算：
[0044][0045][0046]
其中n
coh
是指积分器在相干积分时间t
coh
内进行相关运算的次数。
[0047]
步骤5：将同相支路和正交支路的积分结果通过鉴相器和鉴频器，鉴别出绝对滚转信号和相对滚转信号之间的频率差we(n)和相位差φe(n)为
[0048][0049]
步骤6：对鉴相误差进行判别。将其分为大于30且小于60
°
，大于60
°
且小于90
°
，以及大于90
°
等三部分，分别对应于精跟踪、次精跟踪和粗跟踪。对于不同级别的鉴相误差，设置不同的误差界限。在运行时间达到相干积分时间时，对鉴相误差进行判定，并依据判定结果将对应误差级别的次数进行累加。当误差次数达到界限时，则判定锁相环失锁，重新进行
步骤1；否则进行下一步。
[0050]
步骤7：将同相支路和正交支路的积分结果清零，循环重复步骤4到步骤6；
[0051]
步骤8：如图4所示，将转矩给定值置为常量，磁通给定值置为零，对目标速度信息积分得到电角度。
[0052]
θ＝θ+vt(9)
[0053]
步骤9：利用传感器实时测量的三相定子电流ia，ib，ic经过clark变换，转换为两相静止坐标系α-β上的i
α
和i
β
；
[0054]
ia+ib+ic＝0(10)
[0055]iα
＝ia(11)
[0056][0057]
步骤10：i
α
和i
β
再经过park变换转换为旋转坐标系上的电流id和iq；
[0058]
id＝i
α
cosθ+i
β
sinθ(13)
[0059]iq
＝-i
α
sinθ+i
β
cosθ(14)
[0060]
其中θ为电机转子的电角度。
[0061]
步骤11：将id和iq分别与步骤8中得到的id
ref
，iq
ref
比较得到误差，经过pi调节以后得到旋转坐标系中电压矢量的两个分量ud和uq；
[0062]
步骤12：将ud和uq经过反park变换得到两相静止坐标系α-β上的u
α
和u
β
，作为空间矢量脉冲宽度调制(svpwm)算法的输入；
[0063]uα
＝udcosθ-uqsinθ(15)
[0064]uβ
＝udsinθ+uqcosθ(16)
[0065]
步骤13：将u
α
和u
β
经过反clark变换得到三相静止坐标系上的ua，ub，uc；
[0066]
ua＝u
β
(17)
[0067][0068][0069]
步骤14：由ua，ub，uc确定空间电压矢量所处扇区，计算出扇区对应的基本矢量作用时间，并根据pwm调制原理计算出每一相对应比较器的值，进而控制三相逆变桥输出相应的三相定子电流驱动永磁同步电机对固定舵进行旋转控制；
[0070]
步骤15：编码器测量得到主弹体和固定舵之间的相对滚转信号，将其反馈给锁相跟踪算法，直到主弹体绝对滚转信号与前后体之间的相对滚转信号同频和近似同相，形成闭环控制。
[0071]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法，其特征在于，利用锁相跟踪算法控制基于双旋结构的弹道修正弹药的固定舵相对于地面静止；以主弹体绝对滚转信号和前后体相对滚转信号作为锁相跟踪算法的输入；根据主弹体绝对滚转信号频率的不同，使用不同的频率检测方法对其进行频率检测，将检测结果作为锁频值；使用组合锁相跟踪的方法，对主弹体绝对滚转信号进行自适应锁相跟踪，每次跟踪后通过多级误差判决法检测锁相环是否失锁；以组合环路跟踪结果作为目标转速信息，解算后驱动永磁同步电机控制固定舵旋转；采用固定磁轴电流，以目标转速信息修改电角度，进而拖动电机的永磁同步电机控制方法；根据解算得到的电角度对电机的三相定子采样电流进行clark变换和park变换，所得转矩值和磁通值与给定值比较，得到的误差分别经过pi调节、反park变换和svpwm算法，生成三路pwm控制信号驱动三相逆变器对电机转速进行调整，进而控制固定舵的转速和滚转角；实时测量主弹体与固定舵的相对滚转信号，并将其反馈到锁相跟踪算法中，直到主弹体绝对滚转信号与前后体之间的相对滚转信号同频和近似同相，形成单环双效的新闭环控制。2.如权利要求1所述的基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法，其特征在于，使用锁相跟踪算法对基于双旋结构的弹道修正弹药的固定舵进行滚转控制；以主弹体绝对滚转信号作为锁相跟踪算法的输入信号，以包含主弹体和固定舵之间耦合信息的相对滚转信号作为锁相跟踪算法的反馈信号。3.如权利要求1所述的基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法，其特征在于，在进行频率检测时，根据主弹体绝绝对滚转信号的频率高低，将其分为高速旋转和低速旋转；当主弹体的滚转速度为高转速时，使用快速傅里叶变换的方法进行频率检测；当主弹体的滚转速度为低转速时，使用过零检测的方法检测频率。4.如权利要求1所述的基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法，其特征在于，使用基于iq解调的二阶锁频辅助三阶锁相组合环路跟踪方法对双旋体主弹体滚转信号进行跟踪。5.如权利要求1所述的基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法，其特征在于，在进行组合环路跟踪时，根据主弹体绝对滚转信号的不同频率，自适应调节相干积分时间和环路滤波参数。6.如权利要求1所述的基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法，其特征在于，在锁相跟踪过程中，将鉴相误差进行分级，根据误差的大小将其归入不同的级别；然后对连续若干个参考信号周期内的误差级别进行统计分析；将统计结果分为精跟踪、粗跟踪和失锁等不同的状态；当判断锁相环失锁时，重新进行锁频。7.如权利要求1所述的基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法，其特征在于，将组合环路跟踪结果作为目标速度信息，对其积分，去整后得到电角度信息，进而驱动永磁同步电机控制固定舵旋转。8.如权利要求1所述的基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法，其特征在于，采用固定磁轴电流，以修改电角度，进而拖动电机的永磁同步电机控制方法；对目标速度信息解算得到电角度，将转矩给定值置为常量，磁通给定值置为零，进而使用矢量控制算法控制永磁同步电机。9.如权利要求1所述的基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法，其特征在于，锁相跟
踪算法与矢量控制算法形成单环双效的新闭环控制；锁相跟踪算法对主弹体绝对滚转信号和主弹体、固定舵之间的相对滚转信号进行鉴频鉴相和二阶锁频辅助三阶锁相的环路组合滤波，对同时包含频率和相位信息的组合环路跟踪结果进行解算，根据解算结果对固定舵进行滚转控制；相对滚转信号测量模块实时测量主弹体与固定舵的相对滚转信号，并将其反馈到锁相跟踪算法中，对固定舵的转速和滚转角进行单闭环控制。

技术总结
本发明公开了一种基于锁相跟踪的双旋体旋转稳定控制方法，包括如下多个功能模块：绝对滚转信号测量模块、相对滚转信号测量模块、鉴频/鉴相模块、组合滤波模块、永磁同步电机；本发明主要针对基于双旋结构的弹道修正弹药，弥补了双旋结构弹药前后体耦合、传统PID控制算法限制条件较多、控制精度有限等问题，能够精确测量双旋体转速和相位，实时调整控制参数，提高系统控制精度，实现前体相对于地面静止的控制效果。止的控制效果。止的控制效果。


技术研发人员：申强 王小康 邓子龙 杨东晓 宋荣昌 纪红 耿生群 宋慧波 梁晨 李红云 田凌蕴
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/9