某型號單軸轉臺控制系統(tǒng)控制方案設計分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10097某型號單軸轉臺控制系統(tǒng)控制方案設計分析案例 125081.1引言 135431.2轉臺控制要求 1307981.3轉臺總體方案設計 3116021.4小結 61.1引言想要保證設計的轉臺的高性能和高精度，就需要從轉臺的硬件選型設計和控制算法兩個層面入手。轉臺的硬件部分主要包括選擇合適的驅動元件，測角元件和電路，伺服電機，功率放大驅動模塊等等。在完成轉臺控制系統(tǒng)的硬件選型后，根據本系統(tǒng)的電氣性能來完成控制對象數學模型的建立，同時根據情況來確定控制方法，從而完成轉臺的總體控制。本課題的轉臺控制系統(tǒng)是由各種PCI板卡和PC機構成的數字控制系統(tǒng)，由于是模塊化結構，集成度很高，系統(tǒng)的動態(tài)特性和靜態(tài)精度都較為出色。1.2轉臺控制要求根據實際工作中的需要，我們確定的轉臺控制指標要求如圖1.1轉臺速度范圍0.001°/最大角加速度15000°/速率精度0.001（速率低于1°/s）3×10?3（速率位于位置精度±4''位置分辨率0.003°帶寬10Hz（雙十指標）圖1.1轉臺控制指標要求根據以上我們可以將轉臺的控制要求概括為這四點：“超低速，高頻響，高精度，寬調速”1.超低速評價整個轉臺性能的重要標準之一就是它的低速性。系統(tǒng)在低速工作環(huán)境下的平穩(wěn)性主要是由一些小信號下的非線性因素決定的，比如間隙、摩擦、不靈敏區(qū)等等。而對于驅動電機來說，主要是取決于電機的低速性能，即電機的低速力矩波動應保持足夠小[11]。如果轉臺系統(tǒng)的低速性能不夠好，不夠穩(wěn)定，則會引起高精度的測角元件產生錯誤的回饋信號，給系統(tǒng)帶來意料之外的震蕩而產生很大的跟蹤誤差，導致得到的實驗結果分析起來十分復雜，或是導致整個實驗就無法進行，得到了錯誤的實驗數據。1.高頻響轉臺系統(tǒng)的頻響特性是以所模擬的飛行器的特性和轉臺臺體本身的自然特性為依據而確定的。實驗動態(tài)跟蹤性能的好壞是由轉臺動態(tài)特性直接決定的，為了減小誤差，就需要增加轉臺的頻帶，使得轉臺在較寬的頻帶內完成輸入信號的跟蹤。影響頻響的因素有很多，比如硬件結構、控制元件、驅動元件、控制系統(tǒng)算法等等。一個系統(tǒng)的頻帶原則上是帶寬越大越好。但是如果系統(tǒng)頻帶過于寬，也有類似高頻干擾等負面影響。這將大大影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和精度，削弱系統(tǒng)的抗干擾能力。所以，在能滿足系統(tǒng)的指標要求的前提下，應該讓帶寬盡量的窄。對影響系統(tǒng)頻響特性的因素的要求：結構設計要有夠高的動態(tài)剛度，它的一階振蕩頻率值和驅動元件的原有頻率要相匹配；控制元件要求控制回路響應要足夠快；驅動電機要有能滿足系統(tǒng)要求的最小時間常數和最大力矩；控制系統(tǒng)的數字控制電路也要能滿足高頻響的要求。3.高精度轉臺的靜態(tài)性能包括位置精度、重復性和分辨率等。影響位置精度的主要因素有位置環(huán)中元件的死區(qū)、摩擦力矩、偏載力矩、磁滯等[12]。其中位置反饋元件的精度是最重要的因素，因此應采用高精度的位置反饋元件。4.寬調速最大角速度與最小角速度的比值被定義為調速范圍。這取決于電機本身特性以及驅動系統(tǒng)的設計。這就要求轉臺系統(tǒng)既能滿足最大速度要求，又能使低速信號輸出平穩(wěn)。轉臺系統(tǒng)的動態(tài)調速范圍與其執(zhí)行元件的調速范圍對應。1.3轉臺總體方案設計本課題的轉臺伺服系統(tǒng)采用全數字控制方案。全數字化的實現，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中能夠現代控制理論的先進算法（如速度前饋、加速度前饋、最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經網絡等），同時還大大簡化了硬件，降低了成本，提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。本課題轉臺在控制方式上采取“主控計算機+高性能運動控制單元+功率驅動單元+直驅力矩電機+高精度光電編碼器”的控制方案，使得整個系統(tǒng)的每個模塊既能保證功能的完整性，也能發(fā)揮每個模塊的獨立性。具體框圖如圖1.2所示。圖1.2轉臺系統(tǒng)控制框圖控制方案方法是轉臺控制系統(tǒng)的核心，也是提高轉臺控制系統(tǒng)性能精度的關鍵所在，這直接決定了轉臺的動態(tài)和靜態(tài)性能。轉臺的電氣控制系統(tǒng)由主控計算機、運動目標計算機、運動控制單元、功率驅動單元、伺服電機、角度編碼器等組成。其中，伺服電機、角度編碼器安裝在轉臺機械臺體內，其他部分都安裝在控制機柜當中。轉臺電氣控制系統(tǒng)原理框圖如圖1.3所示。轉臺的機械結構圖如圖1.4所示。圖1.3轉臺電氣控制系統(tǒng)原理圖圖1.4單軸轉臺實驗平臺本課題的轉臺系統(tǒng)其實是一個位置控制系統(tǒng)。由于轉臺設計中擾動的存在，系統(tǒng)通常很難在常規(guī)方法中達到超低速，高頻響，高精度，寬調速的性能要求。轉臺系統(tǒng)中常見的擾動大概有以下四方面：1.摩擦死區(qū)摩擦是由相對運動或有相對運動趨勢的原因所產生的，我們的轉臺系統(tǒng)是一個機械結構，所以難免會有摩擦現象。在轉臺低速運行時，摩擦力矩會有較高的非線性，轉臺系統(tǒng)的“低速爬行”現象和“平頂”現象都是因為這個非線性程度太高所導致的[13]，摩擦死區(qū)非線性的負面影響大大限制了轉臺系統(tǒng)的低速性能。在干擾力矩當中，摩擦力矩是最主要的干擾因素，它大大影響了系統(tǒng)的跟蹤性能。摩擦的產生機理原因十分的復雜，雖然現在有很多摩擦模型在研究當中，但是還沒有一個能描述所有摩擦現象的模型出現。1.電機波動力矩電機是轉臺驅動系統(tǒng)的主要元件，它的力矩波動也會對系統(tǒng)的伺服性能產生不可避免的影響。由于電機波動力矩產生的機理不同，一般分為兩種：齒槽波動力矩和電磁波動力矩[14]。第一種齒槽波動力矩抑制起來相對簡單，它的產生是因為電機定子中磁場的不均勻分布，所以在電機完成的時候，它的齒槽波動力矩就確定無法改變了。現在有很多抑制齒槽波動力矩的方法和技術，比如SVPWM驅動、齒極配合等等[15]。電磁波動力矩的產生原因更為復雜，在實際運行過程中，系統(tǒng)外部噪聲干擾以及實際硬件誤差等因素，理論值和實際值會有區(qū)別，這使得電樞電流和電機反電動勢無法匹配，從而電機電樞電流缺少理想的對稱形式。在轉臺低速運行過程中，帶來負面影響的電機波動力矩主要的還是電磁波動力矩，轉臺的低速跟蹤性能受到了限制。3.模型攝動轉臺在實際工作過程中，經常會因為不同的工作環(huán)境或者是不同的實驗要求或是不同的負載等狀況引起系統(tǒng)模型參數和狀態(tài)的變化。雖然轉臺系統(tǒng)完成了自己的頻域控制器參數設計，但是實際使用過程中，一些特殊的外部干擾會使模型參數攝動，使得原有的參數失效，已經完成的單閉環(huán)控制器不能滿足原有的控制要求，轉臺的性能指標隨之下降。還有一種情況是實驗的目的要求發(fā)生變化，轉臺的負載也隨之產生變化，一般的單閉環(huán)控制器參數設計是根據被控對象模型設定的，當被控對象模型的參數發(fā)生變化時，就很大程度上會削弱原有的控制器的控制效果，甚至使整個系統(tǒng)喪失穩(wěn)定性[16]。一般情況下針對實驗負載變化的問題，通常是根據幾種常規(guī)的實驗負載數據來分別設計控制器，不同的控制器對應于不同的數學模型，每一種常見的實驗負載都有自己對應的控制器參數。當用戶進行轉臺實驗時，可以根據近似的轉動慣量選擇已經設定好的控制器參數。這種方法雖然在一定情況下可以滿足需求，但是這種方法的控制器參數需要人為調節(jié)，并且很有可能會遇到已經設定好的參數無法滿足給定的需求的狀況，效率太低了。4.量化誤差與時滯特性轉臺系統(tǒng)是一種典型的數?；旌舷到y(tǒng)，轉臺運行過程中的很多環(huán)節(jié)都有時滯特性。比如數模轉換模塊、驅動放大器、反饋元件等等。這些系統(tǒng)中存在的時滯雖然不會給系統(tǒng)的幅頻特性帶來影響，但是系統(tǒng)相頻部分的高頻特性會受到巨大影響[17]。所以我們在測驗轉臺的頻率特性的時候，經常會有這樣一種結果，系統(tǒng)的相頻曲線的高頻處會遠遠小于理論值，而幅頻的特征曲線與理論值是十分近似吻合的。量化誤差是由于反饋元件的局限性造成的。轉臺常用的反饋元件光電碼盤作用是測量電機轉子的角度位置，由于它的分辨率問題從而影響了角度位置的精度問題。通過以上分析可以看出，由于存在很多的干擾因素，傳統(tǒng)的單閉環(huán)控制器轉臺系統(tǒng)性能并不穩(wěn)定，不能滿足所有用戶的需求，所以我們在原有位置閉環(huán)回路的情況下加入電流閉環(huán)回路和速度閉環(huán)回路，組成多回路控制系統(tǒng)結構，通過電流—速度—位置的三回路控制來構建轉臺控制系統(tǒng)。如圖1.5所示。圖1.5轉臺控制系統(tǒng)結構圖由上圖可知，不同的控制器發(fā)揮不同的控制功能。電流控制器所在最內環(huán)完成控制調節(jié)電樞電流的作用，它可以將電機轉矩脈沖以及轉動慣量導致的負面影響降到最低，同時能夠限制電樞電流，不至于系統(tǒng)出現安全問題，以此來提高功率電源和電機的動態(tài)特性品質[18]。速度控制器所在閉環(huán)回路的主要作用是通過抑制干擾擾動來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，同時適當地提高速度環(huán)增益對減小系統(tǒng)對動靜態(tài)摩擦的靈敏度、克服系統(tǒng)死區(qū)、拓展系統(tǒng)帶寬、克服轉臺的機械諧振以及提高回路剛度都有正面效益。位置控制器的時間常數較大，可以通過一些復雜的控制算法來提高系統(tǒng)的控制性能，進一步提升轉臺伺服性能。1.4小結本章以某型號單軸轉臺設備為基礎根據，明確了實驗的具體要求，以此完成了本課題的總體設計。根據要求確