[發明專利]用于機電飛行致動系統的集成上行采樣器和對多速率控制器的濾波

有效

• 申請號: 201110302955.9
• 申請日: 2011-09-28
• 公開（公告）號: CN102437834A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: D·C·卡莫倫
• 申請（專利權）人: 波音公司
• 主分類號: H03H11/12
• 分類號: H03H11/12;G05B11/42
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民

技術領域

背景技術

現在很多系統特別是復雜的航空電子系統利用多種成熟技術產品與新技術產品結合以產生新的系統。通常更經濟的是使用現有的技術產品，而不是完全重新構建某物。重復使用技術節約了可以更好地用于系統的其他部分的工程資源，并且經常使產品更快地進入市場。重復使用技術節省了測試和校驗的時間和資源，因為用于類似目的的已經合格的部分通常不需要很多測試循環來校驗。

反饋控制系統通常被用在閉環飛行控制系統和其他工業或商業產品中。一些眾所周知的反饋控制系統包括超前滯后補償器和PID或者比例積分微分反饋控制回路。超前滯后補償器和PID反饋控制回路在本領域中公知用于穩定物理系統。

飛行控制系統有時包括來自不同制造商的系統部件，其被組合以產生新的系統。略有不同的設計規格和參數的系統部件被集成到新系統中時可能表現出不期望的運轉情況(behaviour)。例如，從主計算機發送到閉環飛行控制系統的命令的采樣頻率可以被設計成選擇的第一頻率，以使得飛行員或主計算機具有充分的時間粒度完成平臺的期望范圍的空氣動力學性能。然而，閉環飛行控制系統可以在更高的第二頻率下運行，其被設計成在高速飛行期間以更精細的時間粒度快速調節控制面(control?surface)。

當主計算機以第一頻率發送命令時，閉環飛行控制系統立即根據來自主計算機的命令以閉環飛行系統的第二頻率調節飛行控制面。當閉環飛行控制系統以比主計算機更高的頻率或更快的采樣率運行時，閉環飛行控制系統將必須等待命令之間的多個循環。這引起機電閉環飛行控制系統響應于來自主計算機的命令的周期性啟動-停止行為。啟動-停止行為表現得像平臺上的“抬升錘(jack-hammer)”并且以第一頻率觸發來自主計算機的命令的結構模式，這引起飛行控制系統表現出不期望的運轉情況。

由啟動-停止行為觸發的一種不期望的運轉情況是產生被發送到飛行控制面的高電流尖峰(current?spike)。當接收到命令時，更快的閉環飛行控制系統立即引起飛行控制面的致動，隨后PID反饋回路試圖將控制面穩定到命令中顯示的數值。由閉環飛行控制系統引起的這種致動以高轉換速率發生，該轉換速率為閉環飛行控制系統的采樣率。這潛在地導致在較長轉換期間的全電流需求，其中控制面上具有負荷或者沒有負荷。

電流尖峰之后是可由飛行控制面使用的相對低電流的波谷。高電流尖峰及隨后低電流需求的這種周期性需求從電力方面來說是低效的，因為它需要更大的電力系統為電流尖峰供電，并且還需要系統之間的更多配線。這些電流尖峰造成飛行控制面高度疲勞。例如，與可在閉環飛行控制系統上運行的典型命令相關的電流尖峰可以在飛行控制面上產生最大負荷。高負荷降低了部件的壽命，這要求更多的預定維修并減少了檢修之間的任務量。

由啟動-停止行為引起的另一種不期望的運轉情況是超前滯后或PID反饋回路可能不表現出經過閉環飛行控制系統的特定帶寬頻率的期望的40dB/十倍頻滾降。這可能導致閉環飛行控制系統的潛在不穩定性。嘗試衰減啟動-停止行為通常導致相變增加，其可能產生系統中進一步的不穩定性。例如，命令路徑上的雙二階濾波器(bi-quad?filter)可以被用來使命令本身平滑，但可能引起不可接受的相位損失(phase?loss)。

發明內容

本發明描述了一種使用非線性和線性濾波的組合來集成多速率系統的系統和方法。在一個實施例中，描述了一種非線性地平滑從外部回路到內部回路中的高頻控制的低頻命令的方法。非線性上行采樣器(upsampler)應用線性濾波來衰減經過特定帶寬頻率的命令，由此使內部回路控制能夠提供對外部干擾的最大抵抗能力，而不犧牲對命令的高頻衰減。在非限制性示例實施例中，算法從較低采樣率計算機系統采樣命令，并且在飛行致動器的閉環控制系統中產生較高采樣控制。在一些實施例中，該系統和方法提供了具有經過閉環控制系統的特定帶寬頻率的40dB十倍頻(decade)增益衰減的平滑快速性能，并減少了在對飛行控制系統穩定性裕度至關重要的頻率處的相位損失。

在一個實施例中，用于控制致動器的多速率系統包括增量命令限制器、超前滯后濾波器和前饋路徑，增量命令限制器用于將來自第一控制系統的命令改變成用于第二控制系統的受限增量命令，超前滯后濾波器用于對受限增量命令進行濾波以衰減高頻，前饋路徑用于減少速率輸出信號在低頻處的相位損失。