转台计算机伺服控制系统设计.doc

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你一定要坚强，即使受过伤，流过泪，也能咬牙走下去。因为，人生，就是你一个人的人生。

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转台计算机伺服控制系统设计
飞行仿真转台为高精度的复杂控制系统，是地面半实物仿真的关键设备，用以模拟飞行器在空中的各种动作和姿态，包括偏航、滚转和俯仰，实际上是一种电信号到机械运动的转换设备。把高精度传感器如陀螺仪、导引头等安装于转台之上，将飞行器在空中的各种姿态的电信号转化为转台的三轴机械转动，以使陀螺仪、导引头等敏感飞机的姿态角运动。
“高频响、超低速、宽调速、高精度”成为仿真转台的主要性能指标和发展方向其中，“高频响”反映转台跟踪高频信号的能力强；“超低速”反映系统的低速平稳性好；“宽调速”可提供很宽的调速范围；“高精度”指系统跟踪指令信号的准确程度高。
1 转台系统介绍
图1是国产某型号三轴转台，除外框为音叉式结构外，内、中框均为闭合式结构，三框可连续旋转，驱动均采用电动机。被测陀螺安装于内框上，其输入输出电信号通过导电环从外框底座引出。三框的物理定义是：内框代表滚转、中框代表俯仰、外框代表偏航，三框同时动作便可以模拟陀螺仪在三维空间的真实动作和姿态。

图1 三轴模拟转台及其示意图
系统的驱动部分为：外框采用一个直流力矩电动机；中框采用两个电气并联同轴连接的直流力矩电动机内框采用一个直流力矩电动机。这些电动机由各自的脉冲调宽放大器（PWM）提供可控直流电源。三框各有一个测速发电机和一个感应同步器，用以实时检测框架的旋转角速度和角位置。
不同用途的测试转台的对性能指标的要求也不同。一般转台的主要技术指标包含：静态精度（达到千分之几度）、角速度范围（从千分之几度/秒到几百度/秒）、频率响应要求较宽，并具有一定的负载能力要求，且三个框架都具有最大速率的限制。
2 三轴测试转台的总体控制结构
转台三个框架的控制是相互独立的，因此转台的控制系统可以采用如图2所示的原理方案。该系统为上下位机结构的计算机控制系统。以一台工控机作上位机，实现对伺服系统的监控、检测和管理。上位机提供操作者的人机界面，实现对整个转台系统的在线检测、安全保护、性能检测和系统的运动管理以及数据处理。下位机是直接控制机，完成三个通道的实时控制任务，采用一台工控机来实现。各个通道的控制为并行关系，各个通道控制回路的物理结构相同。

图2 三轴测试转台系统总体控制结构图
系统的工作状态通过上位机的操作面板设置，工作状态信息在上位机显示。上位机在接受输入设置命令后传送给下位机，上、下位机通过通信接口进行数据交换。下位机快速采集测速机及数显表反馈信号，依据控制算法，实时解算出控制量，由D/A输出，经前置放大器和功放后控制电机，实现转台的实时控制。
转台是一种复杂的机电系统，存在诸如机械摩擦、电路参数的漂移、轴系间的力矩耦合、环境干扰，轴系间的不垂直度或不交度又将引起系统负载力矩的不平衡，台体刚度不足又会引起机械变形和负载的波动，电机本身还具有一种齿槽效应等非线性特性，因此，可以认为转台系统为一个具有很强非线性和不确定性的控制系统。
究其本质，飞行仿真转台是一个高精度位置/速度伺服系统。对于驱动元件为电动机的转台系统，其本质又为一个电动机的位置或速度闭环系统。
3 转台单框的数学模型
由于转台三个框架的控制是相互独立的，因此可以分别对每个框架的控制系统进行设计。以下为转台单框的数学建模：
(1)
(2)
(3)
(4)
其中， 为转动惯量，包含负载和电机转子本身的转动惯量；为转子的机械角速度；为系统的粘性系数；为负载的转矩；为摩擦转矩；为电动机的电磁转矩常数；为电动机的电枢电流；为电动机电枢两端电压；为电动机的反电势系数；为电枢电阻；为电枢电感；为PWM功率放大器的放大倍数；为输入控制电压；为电动机的输出角位置。
对上述方程进行拉氏变换，记的拉氏变换为，的拉氏变换为，注意到电枢电感很小，通常将其略去。由此推导得到电枢电压与输出角速度之间的传递函数为：
(5)
其中，，分别为转台单框电动机的静态放大倍数和考虑粘性系数而忽略电感的情况之下的机电时间常数。
以上为在较理想的情况之下，对转台单框直流电动机的建模分析结果，对于系统精度要求不是很高的情况之下才可以采用此模型。
4 转台单框控制回路设计
转台单框系统的控制采用如图3所示的多环控制器结构，其中为框架参考角位置输入信号，为输出角位置信号。

图3 转台控制系统框图

实际的设计中，适当选择低频段和中频段参数，在保证系统稳态精度和稳定性的前提下，使系统具有良好的跟随性能，并加强对负载扰动的调节能力。一般的设计过程是从内向外，依次设计电流环、速度环和位置环，根据系统整体的性能指标，适当分配相应的设计指标，按典型系统设计控制及补偿环节。
1） 电流环设计
引入电流环负反馈可以充分利用电机所允许的过载能力，同时限制电流的最大值，从而对电机起动或制动器起到快速的保护作用。设计得到的电流环控制器直接在功放硬件电路中实现。
在电流环中引入适当的控制器，就可使电流环无静差地跟踪阶跃信号，有效减少电机回路的时间常数，为拉宽速度环频带、设计具有快速响应的速度环控制器打下良好的基础。
在电流环的具体设计中，常将功率放大器与电枢电流之间的关系用一个惯性环节来等效，参照仿真模型加入PI控制器，通过具体的实验验证设计结果。一般要求设计后的电流环回路响应速度快、无超调或超调量很小。
2） 速度环设计
速度环是位置控制系统中非常重要的一个环节。通常采用测速发电机作为速度反馈元件，构成模拟式速度反馈系统。
速度环的作用为：保证速度回路的稳态精度；在电机和框架的结构刚度不够大的情况下，尽量提高速度回路的刚度；为保证转台的快速性，尽可能拉宽速度回路的频带；为保证转台的平稳运转和抗噪声干扰，对高频段的谐振和未建模动态特性有较大的衰减；尽可能降低系统对扰动的灵敏度；减小速度环的死区电压。采用模拟式速度反馈带来的好处是，一旦位置环控制发生故障，速度环仍然可保持系统的稳定，不至于发生“飞车”。但是，速度环的刚度也不可太大，否则容易引起系统的机械振荡，并将影响系统的稳定性。
在进行速度环设计时，应当考虑以下两点：
l 速度环控制器应当包含一个积分环节，以克服伺服电机的死区和功率放大器漂移所造成的静态误差，保证稳态精度指标，提高系统静态刚度。
l 将速度环的闭环特性设计为过阻尼，使其主导极点为一对实极点，从而有利于克服摩擦的影响，改善伺服电机低速运行特性。
为此，速度环调节器一般设计成PI控制器的形式，其结构如图4所示，为电压量纲的速度指令，为转速反馈电压值。

图4 模拟速度环
3） 位置环设计
转台的位置闭环控制系统如图5所示。在本位置环的设计中，将包括速度环调节器、脉冲调宽放大器（PWM）、力矩电动机、测速发电机和数显表在内的模拟电路部分统称为被控对象。其中，数显表包括位置传感器和用以将模拟式位置信号转化为数字信号的A/D转换器。位置环控制器为数字控制器，利用计算机来实现。

图5 三轴测试转台控制系统原理图

位置环控制器的工作过程是：通过键盘或其他通信方式获取位置指令信号，通过位置传感器（数显表）获取系统当前输出的实际角位置，按照一定的算法计算出控制器的输出，经过D/A转换器输出控制量，使得系统的实际输出跟踪指令信号的变化。
当系统进行速度跟踪控制时，由于只能采集到精确的位置信号，没有精确的测速元件，故采用了将位置信号差分的方法来获取速度信号。然后进行位置闭环控制，用位置环的精度来保证速度的精度。
从上述分析可以看出，无论是位置控制还是速度控制，转台的控制核心是位置环的控制算法，它是系统控制精度的保障。
适用于转台精密位置控制的方法有经典的PID、PID加前馈的复合控制，现代的自适应控制、变结构控制，智能的动态鲁棒补偿器控制、神经网络逆模型、神经网络并行控制、滑动模态控制等。这里不深入讨论采用这些控制方法的设计过程。
5 控制系统软件设计
由于转台是一个高精度的控制系统，因此，其上、下位机的采样周期都取为1ms。考虑到转台控制系统的实时性要求较高，开发周期短，所以转台软件在DOS环境下进行开发。
1) 上位机软件需要实现的功能
自检： 按照一定的次序，自动检查转台各个部件的运行情况，确保状态正常。
转台回零：提供安全的回零手段，保证台体以稳定的低速精确回零。
工作状态设置：实现对转台框架和工作状态（位置/速度）的选择，对位置/速率值的设置。
数据处理：实现对系统各信号量的显示，对可能出现的数据传输错误的处理，模拟示波器对系统信号量的实时图形显示。
信号发生器：产生正弦、三角波、方波及随机信号供系统调试及工作检测使用。
通信：完成与下位机的通信，向下位机发出控制命令及从下位机得到系统当前的状态信息；完成对稳速转台控制系统的通信，发出相应的控制指令。
为提供良好的界面，软件中通过读写及显示位图文件实现Windows风格的图形界面，使用系统扩展内存技术实现1MB以上内存的访问和使用，并且不依赖汉字环境，在西文DOS下显示汉字。上位机软件各项功能分别由对应软件界面中控制菜单：回零、设置、动态测试、静态测试、运行、演示、退出、自检等实现。
2) 下位机需要实现的功能
实时控制：完成系统的数据采集、控制量解算以及系统当前状态监测等实时任务。
性能测试：作为可选模块，完成对最终系统频带的测试。存储系统扫描结果，为绘制系统波特图提供信息。
数据处理：对系统各状态量进行采集、滤波。
通信：完成与上位机的通信，接受上位机控制命令，完成相应工作。
3) 上、下位机的通信设计
上、下位机之间的通信利用NE2000兼容的以太网卡（实时通信速率可以达3ms），采用Netbios（Network basic input and output system）通信协议，实现上下位机毫秒级的实时数据传输。
Netbios是IBM公司在其网络适配器中采用的简单网络协议，位于OSI协议的传输层与应用层之间，提供类似于传输层的4类应用服务：命令支持、数据报支持、会话支持及其他通用命令。
考虑到转台控制系统中对通信实时性要求较高，传输层应用服务选用无连接的数据报服务和Client-Server机制，应用层采用简单停-等机制、累加和校验及错误重传策略。在定义上、下位机通信协议时，尽可能减少数据帧长度。实时工作段采用单向数据传输以减少传输量。
以标记CommandM=1表示下位机接收到上位机的命令，则整个转台通信程序的流程框图如图6所示。

图6 转台控制系统通信程序流程图
6 控制律及仿真结构
针对本三轴转台，采用PID控制其中的内框。为了提高控制精度，再引入一个对输入信号进行微分的顺控补偿，形成PID加前馈的复合控制，对应得到的转台及伺服系统的仿真结构图如图7所示。

图7 模拟转台及伺服系统结构图
7 实际控制效果
设定三轴测试转台的定时中断时间为1ms，取数据记录间隔为1ms，并在内框负载30kg。实施PID加前馈的复合控制，针对位置指令为0.5o、频率分别为1.5Hz的正弦信号，得到指令与内框转动角度跟踪实际效果如图8(a)所示；针对位置指令为1o、频率分别为2Hz的正弦信号，得到指令与跟踪实际效果如图8(b)所示（图中纵轴坐标单位为o，横轴单位为时间s）。

图8 转台系统PID加前馈复合控制结果图
从图8可以看出，PID加前馈的复合控制效果相当明显。

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你一定要坚强，即使受过伤，流过泪，也能咬牙走下去。因为，人生，就是你一个人的人生。
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