弹箭与制导学报2007年 导弹舵机电动力加载台控制系统的建模与仿真*
韩红业,于云峰,刘 琛,罗绪涛
(西北工业大学航天学院,西安 710072)
[摘要]文中介绍了舵机电动力加载台的控制系统,论述了该系统的基本组成、工作原理,详细分析了加载台建模与建模中抑制多余力的方法。仿真结果证明了方法的可行性、有效性,对辅助实物舵机电动力加载台的设计、实现有重要意义。
[关键词]电动力加载台;控制系统;多余力
[中图分类号]TJ765 233 [文献标志码]A
Modeling and Simulation of Control System to Electromotive
Power Loading Platform of Steering Gear on the Missile
HA N Ho ng y e,YU Yun feng,L IU Chen,L U O Xu tao
(Schoo l of A stro nautics,No rthw est er n Polytechnical U niv ersity,Xi an710072,China)
Abstract:T he contro l system o f electr omotive pow er lo ading plat form of steering g ear is intr oduced in the paper.T he basic compose and task theo ry o f the system are discussed,mainly describes mo deling o f loading plat form and the met ho d o f unw anted po wer to r est rain.T he r esult of simulation sho ws the f easibilit y and effect iveness o f t he method, and there are impo rtant meaning s to design and implement o f electro motive po wer lo ading platfor m to pr oduce go ods. Key words:electro motiv e po wer loading platfor m;contr ol sy st em;unw ant ed pow er
1 引言
舵机电动加载台是在地面实验室条件下用来模拟导弹在飞行过程中飞行控制舵面受力的装置,在模拟施力的基础上对舵机性能进行分析,伴随完成对整个飞行控制系统的半实物仿真,实现舵机系统性能的检测。由于舵机是一个主动者,加载台是一个被动者,加载台在加载过程中要不断地跟踪舵机的运动,由于两者速度不一致引发的多余力干扰是影响系统施力精度的重要因素。文中利用控制理论中的结构不变性原理对多余力进行抑制,并且把这个原理应用到对系统的建模仿真。文中对加载台的控制系统进行建模的重要意义在于:在建模过程中,其系统参数可任意配置,经试探性仿真,则可迅速得到修正后的仿真结果,且仿真结果能进行分析和可视化,可以辅助设计加载台成品。仿真结果分析初步验证了结构不变性原理的可行性,并且系统的建模在实际成品研制中的作用得到了肯定。
2 电动力加载系统的工作原理
电动力加载系统是一个位置扰动型的伺服控制系统,它以力为控制量,采用PWM驱动电路,产生大功率电流驱动力矩电机对被加载对象加载。完整的电动力加载系统由直流力矩电机、PWM驱动装置、传感器、调理电路和控制计算机等几部分组成。结构图如图1
所示。
图1 电动力加载系统原理结构图
该系统的工作原理:首先由系统给出一个参考的输入信号,经数模转换、功率放大器和力矩
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*收稿日期:2006-05-31; 修回日期:2006-07-05
作者简介:韩红业(1979-),男,山西应县人,硕士研究生,研究方向:航天器及导弹制导与控制。
第27卷第2期导弹舵机电动力加载台控制系统的建模与仿真 韩红业等电动机,得出力矩信号,经摆杆将圆周运动转化为直线运动,施给舵机需要的力,然后经力传感器对力进行反馈,和参考的输入信号进行比较,得到调节误差,经过PID 对调节误差进行计算,从而产生精确的电压信号,对施力电机进行控制,输出需要的力信号。系统由于要受到多余力的干扰,因此选用旋转编码器和光栅尺传感器提供前馈控制所需要的角度和角速度信号,对整个系统进行补偿。
3 系统建模
假设各部分机械连接均为刚性连接。加载台原理图如图2
所示。图2 加载原理示意图
3.1 电动机的数学建模
电动机是系统构成的一个重要环节,恰当的选择电动机能够减少机械连
接装置,简化系统结构,提高系统的控制性能。文中采用的是无刷直流电动机,等效电路如图3所示,根据图3所示的机构推导直流力矩电动机的传递函数,直流力矩电机的电压平衡方程为:
u m =R m i m +L m
d i m
d t
+E m (1
)
图3 无刷电动机等效电路图
其中,反电动势又可写成:
E m =K e m (2) m =
d m d t
(3)
电磁转矩可表示为:
T m =K T i m
(4)
无刷直流电动机的转矩平衡方程为:
T m =J m d m
d t
+B m m +T L
(5)式中:u m 为电枢电压(V );R m 为电枢回路总电阻;E m 为电枢反电动势(V );i m 为电枢电流(A );L m 为电枢回路总电感(mH );K e 为电机反电动
势常数(V s/rad ); m 为电机的角速度(rad/s ); m 为电机的角位移(rad );K T 为电机转矩系数(N s/A );B m 为电动机的阻尼系数;T m 为电机输出转矩(N m );J m 为电机电枢的转动惯量(kg m 2
)。
3.2 驱动装置的数学建模
PWM 控制特性是一种典型的非线性控制系统。但是,当大功率晶闸管的开关频率远远大于电动机的工作频带时,电动机两端的控制电压中交流分量的影响很小,可以不予考虑,实际上起作用的只是直流分量,于是可认为如公式6所示:
u m =
u i
u Dp
U s (6)
其中:u m 是PWM 驱动装置的控制输入信号,u Dp 是脉冲宽度电路中的三角波电压的峰值,U s 是控制直流电机所需的直流电压。PWM 装置的放大系数为:
K PWM =
u m u i =U s
u Dp
(7)
3.3 控制器的设计
文中采用PID 控制器,PID 控制器是一种线性控制器,通过对偏差信号的比例、积分和微分进行线性组合构成控制量,从而对被控对象进行控制。其传递函数为:
G s (s)=k p 1+1
T s s +T d s (8)
3.4 负载受力情况分析
由于导轨上摩擦力相对于总体施加的力来说很小,为研究的方便以及系统建模的简化,假设导轨上的摩擦力为零。由于垂直摆杆扭转角度较小,直流电动机输出力矩的平衡方程可近似为:
T L =J L d m
d t
+K F
(9)
其中:J L 为加载对象端组件的总转动惯量,F 为舵机伸出轴的反作用力。3.5 建模中多余力的抑制
由于舵机电动力加载系统是典型的被动式力控制系统,在对舵机动态加载的过程中,存在着由舵机的运动产生的多余力的干扰。文中采用结构不变性原理来消除多余力,即利用双通道使外作用正、负相互抵消,对加载对象的速度进行前馈控制来达到消除多余力的目的,消除方法如
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弹箭与制导学报2007年
图4
所示。
图4 采用结构不变性原理抑制多余力的方框图
其中,据结构不变性原理应满足的关系式如公式(10)所示( f 为光栅尺测的舵机速度折合的角速度),为了实现一个稳定的闭环系统,采用速度反馈增加系统的阻尼比,这样可以改善系统的稳定性,建立了一个比较完整的电动力加载系统的模型。 f K
PWM
G c (s)
K T
(R m +L m s )
=
m
K e K T R m +L m s +1
B m +J m s
+J L s
(10)
4 系统仿真及结果分析
表1 建模主要参数
系数数值系数数值
系数
数值K T 4.745N m/A
K e 4.745V s /rad K P WM
10B m 0.235N m s/rad L m
7.9mH K 0.4J m
0.064kg m 2
R m
4.3
J L
0.856kg m 2
仿真结果见图5、图6。
分析仿真结果图5、图6可知,在加入不同的输入信号以后,系统的相应响应速度快,而且精度高,完全符合现实舵机电动力加载台的指标要求。
图5 阶跃响应 图6 输出响应
5 结论
仿真结果表明,应用结构不变性原理补偿的控制系统的建模产生了良好的效果,误差很小,且控制精度很高。同时力响应能够快速地回到所要求的力需求的位置上,响应速度等各项指标符合设计要求,且变参形式简单,便于实物的设计。
结论表明,建模用到的原理、理论是可行的,
对实物的工程实现有一定的参考作用。目前,该方案的实验工作正在进行,如果与仿真结果基本吻合,将打破传统的电液加载方式,引入电气力加载方式。
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(上接第25页)
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