轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模板

轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)為高精度的復(fù)雜控制系統(tǒng),是地面半實(shí)物仿真的關(guān)鍵設(shè)備,用以模擬飛行器在空中的各種動(dòng)作和姿態(tài),包括偏航、滾轉(zhuǎn)和俯仰,實(shí)際上是一種電信號(hào)到機(jī)械運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換設(shè)備。把高精度傳感器如陀螺儀、導(dǎo)引頭等安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)之上,將飛行器在空中的各種姿態(tài)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)臺(tái)的三軸機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng),以使陀螺儀、導(dǎo)引頭等敏感飛機(jī)的姿態(tài)角運(yùn)動(dòng)。”高頻響、超低速、寬調(diào)速、高精度”成為仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的主要性能指標(biāo)和發(fā)展方向。其中,”高頻響”反映轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤高頻信號(hào)的能力強(qiáng);”超低速”反映系統(tǒng)的低速平穩(wěn)性好;”寬調(diào)速”可提供很寬的調(diào)速范圍;”高精度”指系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的準(zhǔn)確程度高。1轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)介紹圖1是國(guó)產(chǎn)某型號(hào)三軸轉(zhuǎn)臺(tái),除外框?yàn)橐舨媸浇Y(jié)構(gòu)外,內(nèi)、中框均為閉合式結(jié)構(gòu),三框可連續(xù)旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)均采用電動(dòng)機(jī)。被測(cè)陀螺安裝于內(nèi)框上,其輸入輸出電信號(hào)經(jīng)過(guò)導(dǎo)電環(huán)從外框底座引出。三框的物理定義是:內(nèi)框代表滾轉(zhuǎn)、中框代表俯仰、外框代表偏航,三框同時(shí)動(dòng)作便能夠模擬陀螺儀在三維空間的真實(shí)動(dòng)作和姿態(tài)。圖1三軸模擬轉(zhuǎn)臺(tái)及其示意圖系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分為:外框采用一個(gè)直流力矩電動(dòng)機(jī);中框采用兩個(gè)電氣并聯(lián)同軸連接的直流力矩電動(dòng)機(jī);內(nèi)框采用一個(gè)直流力矩電動(dòng)機(jī)。這些電動(dòng)機(jī)由各自的脈沖調(diào)寬放大器(PWM)提供可控直流電源。三框各有一個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)和一個(gè)感應(yīng)同步器,用以實(shí)時(shí)檢測(cè)框架的旋轉(zhuǎn)角速度和角位置。不同用途的測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的對(duì)性能指標(biāo)的要求也不同。一般轉(zhuǎn)臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)包含:靜態(tài)精度(達(dá)到千分之幾度)、角速度范圍(從千分之幾度/秒到幾百度/秒)、頻率響應(yīng)要求較寬,并具有一定的負(fù)載能力要求,且三個(gè)框架都具有最大速率的限制。2三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的總體控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架的控制是相互獨(dú)立的,因此轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)能夠采用如圖2所示的原理方案。該系統(tǒng)為上下位機(jī)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。以一臺(tái)工控機(jī)作上位機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)的監(jiān)控、檢測(cè)和管理。上位機(jī)提供操作者的人機(jī)界面,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的在線檢測(cè)、安全保護(hù)、性能檢測(cè)和系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)管理以及數(shù)據(jù)處理。下位機(jī)是直接控制機(jī),完成三個(gè)通道的實(shí)時(shí)控制任務(wù),采用一臺(tái)工控機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。各個(gè)通道的控制為并行關(guān)系,各個(gè)通道控制回路的物理結(jié)構(gòu)相同。圖2三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的工作狀態(tài)經(jīng)過(guò)上位機(jī)的操作面板設(shè)置,工作狀態(tài)信息在上位機(jī)顯示。上位機(jī)在接受輸入設(shè)置命令后傳送給下位機(jī),上、下位機(jī)經(jīng)過(guò)通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。下位機(jī)快速采集測(cè)速機(jī)及數(shù)顯表反饋信號(hào),依據(jù)控制算法,實(shí)時(shí)解算出控制量,由D/A輸出,經(jīng)前置放大器和功放后控制電機(jī),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)時(shí)控制。轉(zhuǎn)臺(tái)是一種復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng),存在諸如機(jī)械摩擦、電路參數(shù)的漂移、軸系間的力矩耦合、環(huán)境干擾,軸系間的不垂直度或不交度又將引起系統(tǒng)負(fù)載力矩的不平衡,臺(tái)體剛度不足又會(huì)引起機(jī)械變形和負(fù)載的波動(dòng),電機(jī)本身還具有一種齒槽效應(yīng)等非線性特性,因此,能夠認(rèn)為轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)為一個(gè)具有很強(qiáng)非線性和不確定性的控制系統(tǒng)。究其本質(zhì),飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)是一個(gè)高精度位置/速度伺服系統(tǒng)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)元件為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng),其本質(zhì)又為一個(gè)電動(dòng)機(jī)的位置或速度閉環(huán)系統(tǒng)。3轉(zhuǎn)臺(tái)單框的數(shù)學(xué)模型由于轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架的控制是相互獨(dú)立的,因此能夠分別對(duì)每個(gè)框架的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以下為轉(zhuǎn)臺(tái)單框的數(shù)學(xué)建模:(1)(2)(3)(4)其中,為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,包含負(fù)載和電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度;為系統(tǒng)的粘性系數(shù);為負(fù)載的轉(zhuǎn)矩;為摩擦轉(zhuǎn)矩;為電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù);為電動(dòng)機(jī)的電樞電流;為電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓;為電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)系數(shù);為電樞電阻;為電樞電感;為PWM功率放大器的放大倍數(shù);為輸入控制電壓;為電動(dòng)機(jī)的輸出角位置。對(duì)上述方程進(jìn)行拉氏變換,記的拉氏變換為,的拉氏變換為,注意到電樞電感很小,一般將其略去。由此推導(dǎo)得到電樞電壓與輸出角速度之間的傳遞函數(shù)為:(5)其中,,分別為轉(zhuǎn)臺(tái)單框電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)放大倍數(shù)和考慮粘性系數(shù)而忽略電感的情況之下的機(jī)電時(shí)間常數(shù)。以上為在較理想的情況之下,對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)單框直流電動(dòng)機(jī)的建模分析結(jié)果,對(duì)于系統(tǒng)精度要求不是很高的情況之下才能夠采用此模型。4轉(zhuǎn)臺(tái)單框控制回路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)單框系統(tǒng)的控制采用如圖3所示的多環(huán)控制器結(jié)構(gòu),其中為框架參考角位置輸入信號(hào),為輸出角位置信號(hào)。圖3轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)框圖實(shí)際的設(shè)計(jì)中,適當(dāng)選擇低頻段和中頻段參數(shù),在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)定性的前提下,使系統(tǒng)具有良好的跟隨性能,并加強(qiáng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的調(diào)節(jié)能力。一般的設(shè)計(jì)過(guò)程是從內(nèi)向外,依次設(shè)計(jì)電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán),根據(jù)系統(tǒng)整體的性能指標(biāo),適當(dāng)分配相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo),按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制及補(bǔ)償環(huán)節(jié)。1)電流環(huán)設(shè)計(jì)引入電流環(huán)負(fù)反饋能夠充分利用電機(jī)所允許的過(guò)載能力,同時(shí)限制電流的最大值,從而對(duì)電機(jī)起動(dòng)或制動(dòng)器起到快速的保護(hù)作用。設(shè)計(jì)得到的電流環(huán)控制器直接在功放硬件電路中實(shí)現(xiàn)。在電流環(huán)中引入適當(dāng)?shù)目刂破?就可使電流環(huán)無(wú)靜差地跟蹤階躍信號(hào),有效減少電機(jī)回路的時(shí)間常數(shù),為拉寬速度環(huán)頻帶、設(shè)計(jì)具有快速響應(yīng)的速度環(huán)控制器打下良好的基礎(chǔ)。在電流環(huán)的具體設(shè)計(jì)中,常將功率放大器與電樞電流之間的關(guān)系用一個(gè)慣性環(huán)節(jié)來(lái)等效,參照仿真模型加入PI控制器,經(jīng)過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。一般要求設(shè)計(jì)后的電流環(huán)回路響應(yīng)速度快、無(wú)超調(diào)或超調(diào)量很小。2)速度環(huán)設(shè)計(jì)速度環(huán)是位置控制系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)作為速度反饋元件,構(gòu)成模擬式速度反饋系統(tǒng)。速度環(huán)的作用為:保證速度回路的穩(wěn)態(tài)精度;在電機(jī)和框架的結(jié)構(gòu)剛度不夠大的情況下,盡量提高速度回路的剛度;為保證轉(zhuǎn)臺(tái)的快速性,盡可能拉寬速度回路的頻帶;為保證轉(zhuǎn)臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)和抗噪聲干擾,對(duì)高頻段的諧振和未建模動(dòng)態(tài)特性有較大的衰減;盡可能降低系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的靈敏度;減小速度環(huán)的死區(qū)電壓。采用模擬式速度反饋帶來(lái)的好處是,一旦位置環(huán)控制發(fā)生故障,速度環(huán)依然可保持系統(tǒng)的穩(wěn)定,不至于發(fā)生”飛車”?？墒?速度環(huán)的剛度也不可太大,否則容易引起系統(tǒng)的機(jī)械振蕩,并將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在進(jìn)行速度環(huán)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮以下兩點(diǎn):速度環(huán)控制器應(yīng)當(dāng)包含一個(gè)積分環(huán)節(jié),以克服伺服電機(jī)的死區(qū)和功率放大器漂移所造成的靜態(tài)誤差,保證穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo),提高系統(tǒng)靜態(tài)剛度。將速度環(huán)的閉環(huán)特性設(shè)計(jì)為過(guò)阻尼,使其主導(dǎo)極點(diǎn)為一對(duì)實(shí)極點(diǎn),從而有利于克服摩擦的影響,改進(jìn)伺服電機(jī)低速運(yùn)行特性。為此,速度環(huán)調(diào)節(jié)器一般設(shè)計(jì)成PI控制器的形式,其結(jié)構(gòu)如圖4所示,為電壓量綱的速度指令,為轉(zhuǎn)速反饋電壓值。圖4模擬速度環(huán)3)位置環(huán)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖5所示。在本位置環(huán)的設(shè)計(jì)中,將包括速度環(huán)調(diào)節(jié)器、脈沖調(diào)寬放大器(PWM)、力矩電動(dòng)機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)和數(shù)顯表在內(nèi)的模擬電路部分統(tǒng)稱為被控對(duì)象。其中,數(shù)顯表包括位置傳感器和用以將模擬式位置信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器。位置環(huán)控制器為數(shù)字控制器,利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)原理圖位置環(huán)控制器的工作過(guò)程是:經(jīng)過(guò)鍵盤(pán)或其它通信方式獲取位置指令信號(hào),經(jīng)過(guò)位置傳感器(數(shù)顯表)獲取系統(tǒng)當(dāng)前輸出的實(shí)際角位置,按照一定的算法計(jì)算出控制器的輸出,經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制量,使得系統(tǒng)的實(shí)際輸出跟蹤指令信號(hào)的變化。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行速度跟蹤控制時(shí),由于只能采集到精確的位置信號(hào),沒(méi)有精確的測(cè)速元件,故采用了將位置信號(hào)差分的方法來(lái)獲取速度信號(hào)。然后進(jìn)行位置閉環(huán)控制,用位置環(huán)的精度來(lái)保證速度的精度。從上述分析能夠看出,無(wú)論是位置控制還是速度控制,轉(zhuǎn)臺(tái)的控制核心是位置環(huán)的控制算法,它是系統(tǒng)控制精度的保障。適用于轉(zhuǎn)臺(tái)精密位置控制的方法有經(jīng)典的PID、PID加前饋的復(fù)合控制,現(xiàn)代的自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制,智能的動(dòng)態(tài)魯棒補(bǔ)償器控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并行控制、滑動(dòng)模態(tài)控制等。這里不深入討論采用這些控制方法的設(shè)計(jì)過(guò)程。5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由于轉(zhuǎn)臺(tái)是一個(gè)高精度的控制系統(tǒng),因此,其上、下位機(jī)的采樣周期都取為1ms?？紤]到轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高,開(kāi)發(fā)周期短,因此轉(zhuǎn)臺(tái)軟件在DOS環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)。1)上位機(jī)軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能自檢:按照一定的次序,自動(dòng)檢查轉(zhuǎn)臺(tái)各個(gè)部件的運(yùn)行情況,確保狀態(tài)正常。轉(zhuǎn)臺(tái)回零:提供安全的回零手段,保證臺(tái)體以穩(wěn)定的低速精確回零。工作狀態(tài)設(shè)置:實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)框架和工作狀態(tài)(位置/速度)的選擇,對(duì)位置/速率值的設(shè)置。數(shù)據(jù)處理:實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各信號(hào)量的顯示,對(duì)可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤的處理,模擬示波器對(duì)系統(tǒng)信號(hào)量的實(shí)時(shí)圖形顯示。信號(hào)發(fā)生器:產(chǎn)生正弦、三角波、方波及隨機(jī)信號(hào)供系統(tǒng)調(diào)試及工作檢測(cè)使用。通信:完成與下位機(jī)的通信,向下位機(jī)發(fā)出控制命令及從下位機(jī)得到系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)信息;完成對(duì)穩(wěn)速轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的通信,發(fā)出相應(yīng)的控制指令。為提供良好的界面,軟件中經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)及顯示位圖文件實(shí)現(xiàn)Windows風(fēng)格的圖形界面,使用系統(tǒng)擴(kuò)展內(nèi)存技術(shù)實(shí)現(xiàn)1MB以上內(nèi)存的訪問(wèn)和使用,而且不依賴漢字環(huán)境,在西文DOS下顯示漢字。上位機(jī)軟件各項(xiàng)功能分別由對(duì)應(yīng)軟件界面中控制菜單:回零、設(shè)置、動(dòng)態(tài)測(cè)試、靜態(tài)測(cè)試、運(yùn)行、演示、退出、自檢等實(shí)現(xiàn)。2)下位機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的功能實(shí)時(shí)控制:完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制量解算以及系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)監(jiān)測(cè)等實(shí)時(shí)任務(wù)。性能測(cè)試:作為可選模塊,完成對(duì)最終系統(tǒng)頻帶的測(cè)試。存儲(chǔ)系統(tǒng)掃描結(jié)果,為繪制系統(tǒng)波特圖提供信息。數(shù)據(jù)處理:對(duì)系統(tǒng)各狀態(tài)量進(jìn)行采集、濾波。通信:完成與上位機(jī)的通信,接受上位機(jī)控制命令,完成相應(yīng)工作。3)上、下位機(jī)的通信設(shè)計(jì)上、下位機(jī)之間的通信利用NE兼容的以太網(wǎng)卡(實(shí)時(shí)通信速率能夠達(dá)3ms),采用Netbios(Networkbasicinputandoutputsystem)通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)毫秒級(jí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。Netbios是IBM公司在其網(wǎng)絡(luò)適配器中采用的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,位于OSI協(xié)議的傳輸層與應(yīng)用層之間,提供類似于傳輸層的4類應(yīng)用服務(wù):命令支持、數(shù)據(jù)報(bào)支持、會(huì)話支持及其它通用命令?？紤]到轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)中對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求較高,傳輸層應(yīng)用服務(wù)選用無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和Client-Server機(jī)制,應(yīng)用層采用簡(jiǎn)單停-等機(jī)制、累加和校驗(yàn)及錯(cuò)誤重傳策略。在定義上、下位機(jī)通信協(xié)議時(shí),盡可能減少數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度。實(shí)時(shí)工作段采用單向數(shù)據(jù)傳輸以減少傳輸量。以標(biāo)記CommandM=1表示下位機(jī)接收到上位機(jī)的命令,則整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)通信程序的流程框圖如圖6所示。圖6轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)通信程序流程圖6控制律及仿真結(jié)構(gòu)針對(duì)本三軸轉(zhuǎn)臺(tái),采用PID控制其中的內(nèi)框。為了提高控制精度,再引入一個(gè)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行微分的順控補(bǔ)償,形成PID加前饋的復(fù)合控制,對(duì)應(yīng)得到的轉(zhuǎn)臺(tái)及伺服系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。圖7模擬轉(zhuǎn)臺(tái)及伺服系統(tǒng)結(jié)