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, 其输入输出电信号经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, 三框同时动作便能够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能够采用如图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
系统的工作状态经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、下位机经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, 能够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, 因此能够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:
d L f c a d J B T T k i t
ωω+++= (1) a a e a a a d d i u k R i L t
ω=++ (2) a m u k u = (3)
d d t θ
ω= (4)
其中, J 为转动惯量, 包含负载和电机转子本身的转动惯量; ω为转子的机械角速度; B 为系统的粘性系数; L T 为负载的转矩; f T 为摩擦转矩; c k 为电动机的电磁转矩常数; a i 为电动机的电枢电流; a u 为电动机电枢两端电压; e k 为电动机的反电势系数; a R 为电枢电阻;
a L 为电枢电感; m k 为PWM 功率放大器的放大倍数; u 为输入控制电压; θ为电动机的输出角位置。
对上述方程进行拉氏变换, 记()t ω的拉氏变换为()s Ω, a ()u t 的拉氏变换为a ()U s , 注意到电枢电感a L 很小, 一般将其略去。
由此推导
得到电枢电压与输出角速度之间的传递函数为:
c a a a c e m ()()1
k s K U s R Js R B k k T s Ω==+++ (5)
其中, c
a c e
k
K
R B k k
=
+
, a
m
a c e
R J
T
R B k k
=
+
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能够采用此模型。
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r
θ为框架参考角位置输入信号, cθ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
引入电流环负反馈能够充分利用电机所允许的过载能力, 同时。
