（机械电子工程专业论文）基于dsp的力矩电机伺服加载系统研究.pdf

堕! ! 三些查兰堡主兰堡丝奎 摘要 本论文主要研究某型舵机的伺服加载系统控制部分。该系统是以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 为控制核心的直流有刷力矩电机的伺服控制系统。它具有 控制精度高、响应快和对加载系统的多余力的抑制效果比较好的特点。 本论文从介绍以往常用的消除多余力的方法开始，祥述了多余力的产生原 理，主要讨论了影响多余力的因素，以及结合本系统的的设计要求，采用了适 合本系统要求的控制方法( 混合控制方法) 来降低系统多余力，将模糊控制和 传统的p i d 控制方法相结合，取两种方法的优点以提高系统加载性能。本论文 主要包括以下几个部分：系统设计、对系统进行建模、设计控制器和系统仿真 部分、系统硬件设计以及系统软件设计六个部分。本论文的难点主要在于加载 系统要求的载荷频率比较高，而且要求系统要有比较高的加载精度。同时也对 于一些相关的问题进行了探讨。 关键词：直流力矩电机多余力d s p 伺服加载系统伺服控制 鳘垄点矍查兰鎏圭兰堡笙茎 a b s t r a c t ak i n do fa c t a t o rs e ol o a d i n gc o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e di nt h i sd i s s e r a t i o n 、t h e s y s t e m i sab r u s h f u ld et o r q u em o t o rc o n t r o l s y s t e m w i t ha c o n t r o lc o r eo f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p ( d i t i g a ls i n g a lp r o c e s s o r ) t h es y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c o f h i g h t r a c tp r e c i s i o n 、f a s tr e s p o n s ea n dh i g hr e l i a b i l i t y , a n di tc a n e l i m i n a t es y s t e m e x t r af o r c e f i r s t ，i n t h ed i s s e r t a t i o ns o m ee f f e c t i v ec o n t r o lm e t h o d sa r e p r e s e n t e d t o e l i m i n a t et h ee x t r af o r c e t h e nt h ee x t r af o r c ep r o d u c e dp r i n c i p l ei sd i s c u s s e di n d e t a i l ，a n d s o m ef a c t o r sw h a ti n f l u e n c et h ee x t r af o r c ea r e g i v e n i n o r d e rt o i m p r o v i n gt h el o a d i n gp e r f o r m a n c ea n de l i m i n a t i n gt h ee x t r af o r c e ，am i x e d s t y l e c o n t r o lm e t h o d si ss e l e c t e d ，t h ed i s s e r t a t i o ni sm a d e u p o f f i v ep a r t s ：s y s t e md e s i g n 、 s y s t e m m o d e ld e s i g n 、c o n t r o l l e rd e s i g n 、s y s t e ms i m u l a t i o n 、s y e t e mh a r d w a r e d e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n b e c a u s eo fh i g h e rl o a d i n gf r e q u e n c ya n dp r e c i s i o n ，t h e s y s t e md e s i g n i sm o r ed i f f i c u l ti n s y s t e md e s i g ns o m ec o r r e l a t i o np r o b l e m sa r e d i s c u s s e da n d a n a l y z e d k e y w o r d s ：d c t o r q u em o t o r e x t r af o r c ed s p s e r v ec o n t r o ls y s t e ms e r v o l o a d i n gs y s t e m 西北工业大学硕士学位论文 第一章：绪论 1 1 伺服加载系统概述： 1 1 1 伺服加载系统的作j f _ j ： 伺服加载系统又名模拟负载器，它属于伺服控制系统的范畴。伺i i i i 载系 统是目前最为常用的一种地面动态飞行仿真设备，广泛的应用于航空、航天领 域的项目研制中，用于模拟飞行器在飞行过程中作用在承载对象上的气动载荷。 在系统中伺服加载系统的作用主要有：( 1 ) 实际考核承载对象( 如舵机) 在近 似实际载荷的作用下的动态工作情况，验证其在实际工作中的可行性；( 2 ) 加 入载荷后将舵机在加载情况下的动态过程反馈回加载回路，从而在模拟的粒度 j 二进一步细化，提高了系统的仿真结果的置信度和等级。但是由于此加载系统 在仿真实验中的重要性和研制的复杂程度，所以加载系统在设计和工程实践中 还有许多尚待探讨并得以完善的问题。其中多余力或多余力矩是被动式加载系 统中的主要控制指标，所以如何有效的抑制多余力矩是被动式加载系统的主要 任务。 1 1 2 伺服加载系统的构成： 由于伺i i ) i i 载系统属于伺服系统的范畴，所以它具有和伺服系统一样的组 成。如图1 1 所示为伺l l l i 载系统的组成。主要包括伺服控制器、执行机构( ) j | l 载元件如液压缸、液压马达、气缸和加载电机等) 、检测元件等环节，其核心为 圈1 1 ：伺l l j i l 载系统组成 t 职北工业大学硕士学位论文 对于被动式加载系统一般为两输入、单输出系统，即输入信号为标准参考输入 和扰动输入，输出信号为加载元件的输出力或输出力矩。输入信号和反馈信号 ( 反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数) 之差，称 为误差信号。误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量 趋于所希望的值。 1 1 3 伺服加载系统分类： 伺服系统按照其作用对象的运动与否通常可分为两种类型，一类是对结构、 材料进行静、动强度试验的加载系统，它以承载对象在作用过程中始终保持静 止状态为前提，可称为静止加载或主动加载。由于承载对象静止不动，所以这 类系统的结构比较简单，校正容易实现；另一类是对有主动运动的承载对象进 行加载，如舵机、起落架系统等的加载，可称为运动加载或被动式加载，但是 这类系统由于承载对象运动参量的干扰，使系统结构复杂，分析和设计都比较 困难。这两类加载系统的实质区别是承载对象是否存在独立于加载系统的自主 运动。在本设计中由于承载对象舵机存在着主动运动，所以属于被动式加载的 范畴。 伺服加载系统按照所用加载元件的不同可分为液压伺服加载系统、气动伺 服加载系统和电机伺服加载系统等。这三种加载系统各有其优缺点，其中液压 与气动加载系统具有如下相似的特点：输出力矩较大，但机械机构、工艺操作 复杂，重量体积也大，而且它们与主控制器可传递的信息量小、简单，响应慢， 精度与可靠性也不高，摩擦力较大，启动缓慢，同时还需要一套油源、泵站和 相应的油路支持，从而大大提高了成本。而电机加载系统的特点是：响应快、 机械结构、工艺流程相对简单，重量体积小，易与控制器通讯，精度和可靠性 高，但它的力矩较小。根据上述优缺点可知，在要求输出力或力矩较大且有油 源、气站等条件支持的情况下多使用电液和气动伺服加载系统，而在要求输f 力矩较小l l n 载精度较高时使用电机加载。在本系统中，由于要求输i j j 力矩较 曲北工业大学硕士学位论文 小，所以选用被动式电机加载方式。 1 1 4 伺服加载系统的主要问题多余力： 在电液伺服加载系统中采用的加载元件以电液伺服阀和液压马达( 液压缸) 为主，电液负载仿真台是典型的被动式电液力伺服加载系统，它由被加载对象和 加载系统组成并具有反馈控制的控制系统。但是由于被加载对象的主动运动， 对加载系统造成很强的位置于扰，在加载马达两负载腔产生了强迫流量，根据伺 服阀的流量压力特性曲线，流量的改变导致了强迫压力的产生，即所谓的多余 力，多余力的值往往很大，它的存在严重影响了负载仿真台的加载精度和动态品 质，因此必须设法予以尽可能的降低或完全消除。 而在本电机加载系统中，采用永磁式直流力矩电机作为加载元件。和电液 伺服加载系统一样，存在着被加载对象( 舵机) 的主动运动将给加载系统带来 很强的多余力干扰和系统频宽。本文将从多余力的数学模型入手。详细分析了影 响多余力的各种因素，以便找到克服多余力的最有效方法，提高负载仿真台的模 拟输出性能。 根据以上分析，通过建模，可以知道加载系统的力矩输出等于控制器的输 出产生的力矩输出加上承载对象运动引起得力矩输出( 即多余力) ： m = g c ( s ) t ( 刁 s ) - 万g s 一( x ) o ) , ( s ) 其中g g c ( 3 ) ，g ，( 3 ) 是与加载系统动态模型有关的传递函数多项式； m - ( 5 ) ：为被动式加载系统的输出力或力矩； u ( s ) ：为加载系统的控制信号； 0 9 ，( “：为承载对象的运动角速度； 其中，由角速度干扰所引起的多余力矩为： 枷，= 警 西北工业大学硕士学位论文 对伺服加载系统，最大的困难就是如何降低或消除由速度变化引起的多余力的 影响，单从控制原理来讲，此多余力只不过是输出误差扰动引起的，： 1 i l 载系统 对于给定的控制指令，可以实现较精确的跟踪。但事实并非如此，当承载对象 运动时，就会对加载力带来很强的干扰，使其偏离给定的加载力曲线。主要存 在以下原因，使多余力难以用传统的反馈方式进行消除： ：由于在要求加载系统随着被加载对象快速运动的情况下，高精度地跟 踪各种指令加载函数，这样引起的多余力干扰直接作用于输出端，没有任何的 滞后环节且速度快，而任何补偿措施都要通过控制器起作用，即控制信号相对 于输出有一定程度的滞后，因而无法对位置干扰进行有效的补偿，所以消除干 扰和影响儿乎是不可能的，这说明了干扰源的强大性； ：在有角位移干扰的伺服加载系统中，液压马达或力矩电机起着双重作 用，它一方面跟随着承载对象作主动运动，另一方面又在指令系统命令信号的 控制下，随时调整输出力或力矩的大小，使其满足加载精度要求，所以多余力 同时受到控制信号和加载元件的运动参量( 速度、加速度和加加速度等) 控制， 这就给消除多余力带来了复杂性。实际上这两个作用又是统一的，只有很好的 跟踪了承载对象的运动，干扰力才会减小，加载的精度才会提高；反之，当加 载精度满足性能要求时，伺服系统的运动也就与承载物体随动了。 ：加载系统的非线性和参数变化，使得加载系统的传递函数随着工作环 境和条件不同而发生变化，所以要单独采用对消的方法来消除此干扰的影响很 困难。 综上所述，导致加载系统性能不理想的技术关键在于加载系统存在着由位 霞干扰, - j l 起的多余力矩，如何克服多余力矩将是今后改善加载系统性能必须首 先解决的问题。所以消除多余力也就成为本系统设计中的首要出发点。 根据以上的分析，消除多余力的影响可以满足较高的加载精度要求，另外 m 于实际环境中承载对象的刁；同姿态( 即不同的位置) 都有不同的载衙情况， 热北王烂太学鞭士学毽论文 所以这就要求加载系统爨加的载菇不能潆最予承载对象疑处蛉瞬鞋位饕决定鹣 载荷谱中的瞬态值，即要求加载系统输出载荷的实时性。 由于女h 载精度和实时性的嚣求，所以既要建立能够尽可能的抑制多余力的 控裁器又癸保涯羧邃注，经楚往往精溲稻浚速洼之润存在着裁绞关系，鞍笺条 的控制律必然要花费较多的处理时间，进藤影响快速性，所以农本设计中考虑 采用速度快和处理能力较强的处理器d s p ，以达到精度和实时性两者的最佳组 合，建立既能满是精度簧求又毹快速跟踪力矩载荷谱的精确力矩跟踪系统。 另外，蠹弱黢系统模羧器秘承载瓣象缓残茨掇羧系绕中弱令糖豫滂题， 是在系统建模时承溅对象参数包含在加载系统的闭环内，那么熨换承载对象使 得多余力又会发生相应的变化，即多余力与承载对糠参数有密切的耦合关系， 这就蘩求在设计戳消除多余力为目的的控翻器的同时，器可能豹减少控制规律 对零戥对象参数蛉依竣蛙。 1 1 。5 伺服加载系统的常用控制方法； 由于存伺服加载系统中最主要的干扰来自于位凝扰动引起的多余力，且这 种多余力采用传统的控制方法较难以消除或效果较麓，所以其控制器的设计的 主要任务怒消除多余力。瑶嚣在镯旅嬲载系统中消豫多余力酌方法主要有结构 不变性原理 偿法、多变量的姆辗控制法、辕助嗣步方法、力矮反馈法窝热裁 对象壳体同步反馈法等。在以一j 二的方法中，除了加栽对象壳体同步反馈法外， 其他方法都是采用软件乘克服多余力。 多变量懿群耦控制方法：它是将麴载系统看残是多变量系统，敬承载对 象和加载系统的输入信号作为输入量，输出傣号l 乍为输出爨，弓l 入解戢控卷4 器， 选择合适的解耦器参数，即可】。消除多余力。但是多变量解耦控制器模型中有较 强的微分环节，校难实现； 续睾弩不变缝藤理方法：荛也被称为速嶷嚣步羚偿方法，愆这霸| 方法通过 刘加载对象的速度信号进幸亍反馈来达到消除多余力的目的，但是这秘方法仅在 曲北工业大学硕士学位论文 所设置的补偿频率附近较小的范围内和承载对象做小幅度运动时，方可实现近 视补偿，而在其他情况下消扰设果严重恶化。主要原因在于多余力不但来自- j ： 速度项干扰，而且还与加速度和加加速度有关系，所以只依靠速度补偿来消除 多余力是不完全的； 力矩反馈方法：该方法是通过合理的设计反馈通道上的传递函数来对加 载系统中的动态性能进行校正以抑制多余力矩，这时不但引入了力矩反馈还引 入了力矩的微分及更高阶微分的反馈，这样只有产生了多余力矩反馈才能将它 识别然后再加以消除，所以这种方法的快速性比较差。 辅助同步方法：该方法是在加载系统中增加一个位置补偿环节，将承载 对象的输出信号引到力函数发生器，以产生加载所需的指令信号。 加载对象壳体同步反馈法( 简称同步法) ，这种方法的目的是减小扰动 源扰动强度的大小。它通过将承载对象的运动反馈到加载元件的壳体上来减小 加载系统的多余力。同样这种方法可以消除速度干扰引起的多余力，但是同时 也带来r 承载对象加速度和加加速度干扰的多余力的输出误差，并且加加速度 的输出误差随着承载对象运动幅度和频率的增加呈急剧增加的趋势。因此为了 限制这部分误差，常需要在运动加载时将加载对象运动幅度限制在很小的范围 内。这种补偿方法的优点是在低频且承载对象运动幅度很小的情况下，可大幅 度的减小多余力并且不考虑速度的各级微分问题，但是这使系统较为复杂，同 时在中频段及承载对象运动幅度较大时，出现多余力反而增大等一些难以克服 的问题。 以i 二这些方法可以在一定的条件下减弱或消除多余力的影响，但是这些控 制方法均有较严格的应用条件。 1 2 课题来源： 本论文所研究内容来源于我国某型飞机舵机的六通道负载模拟器的研制项 l j 中，陔项目要求设计性能如卜： 西北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 通道数：6 个；( 2 ) 运动范围：3 0 。： ( 3 ) 最大角速度：2 0 0 。s ： ( 4 ) 力矩范围与分辨率：范围01 - l _ n m分辨率o 0 2 n m ： ( 5 ) 控制精度：稳态；o5 f s ；动态：2 f s 多余力：当操纵输入1 0 h z 时，多余力不大于5 ： 当操纵输入2 0 h z 时，多余力不大于7 。 按照项目中的技术要求，由于加载系统的力矩范围和最大力矩值都较小且控制 精度高，所以在本课题中选被动式电机加载系统。 西北工业大学硕士学位论文 第二章：电机伺服加载系统设计 本章丰要介绍本伺服加载系统中的机械构成、控制系统构成以及各自在系统 中的作用。最后简要的介绍了系统中所用的控制方法。 2 1 ：伺服加载系统构成： 2 1 1 伺服加载系统机械构成： 六通道负载模拟器用于六个独立的舵面力矩的仿真，它由六个独立的模拟 通道组成，每个模拟通道包括角位移传感器、扭矩传感器组件、力矩电机以及 联轴节及相应的支架等( 如图2 一l 所示) 。承载对象( 舵机) 与加载装置以及 飞控计算机均安装在同一平台上，平台由两个大小为1 2 0 0 1 2 0 0 3 0 台面组成， 铣有t 型槽，可适应不同加载对象的安装要求，并且可以随时调整各个部分的 相对位置。 图2 。l ：各通道结构组件 2 1 2 机械系统安装方式： 根捌负载的形式和加载电机的结构，加载系统和承载对象( 舵机) 可采用 真接式安装和平行式安装。所谓直接式安装即将电机输出轴和舵机的输入轴通 过联轴3 5 - , 1 1 联，使输入和输出轴在同一条直线上，扭矩传感器安装在两部分之 间，但是缅位移传感器安装比较困难，同时难以保证各部分的轴线在同一条南 西北工业大学硕士学位论文 线上且难以调节，因此这里考虑采用平行式安装方法。 在平行式安装方法中，加载电机输出轴和舵机输入轴相互平行，两边各装 一一个输出摇臂，两个摇臂通过拉杆相连，在拉杆上传递力矩，扭矩传感器和力 矩电机通过联轴节安装在力矩电机输出轴上。与直接式安装相比较平行式安装 时系统结构比较简单且易于保证系统安装精度，便于调节。所以本加载系统考 虑采用舵机和力矩电机之间的平行式安装方法。如图2 2 所示： l 角位移传感器2 加载摇臂3 惯量盘4 扭矩传感器5 连轴器 6 加载电机7 位移传感器支架8 位移传感器支座 9 加载电机支座1 0t 型槽台面 2 1 3 连接拉杆设计： 图2 2 ：加载系统结构示意图 在以前关于加载系统中的多余力的消除研究中，我们知道有些系统在结构 上和驱动上已具有一定的消扰能力。例如在加载系统和被加载对象之问安装有 弹性缓h ，元件，又如在电液伺服加载系统中p q 阀自身内部带有压差反馈回路 等。若以本加载系统为例，拟在力矩电机的输出轴上的连杆和舵机轴上的连卡r 之间采川弹性拉杆相连，则该弹性连接件的作用就是缓冲多余力矩对系统性能 的影响。设置这个环节的系统在动态多余力矩测量时比没有这个环节的系统在 西北工业大学硕士学位论文 动态多余力矩测量情况下的多余力矩就小得多。而且这个缓冲环节还使系统的 稳定余度升高，给控制系统设计提供了更多的余地和方便。所以在本系统从尽 可能的减少多余力矩的原则出发，在加载力矩电机和承载舵机之间采用具有弹 性的拉杆相连接，同时可通过弹簧两边的调节螺杆来调节弹簧的预压紧力，从 而确定消除干扰的范围。但是这给同等比较加入了更加难以区分的结构因素， 给较精确的系统建模和控制器设计带来困难。 往往，对在系统中加入这个弹性连杆的作用容易发生误解。人们经常认为 在系统中加入一个惯性环节会使系统的动态性能变得更差，但是通过对实际的 系统分析可知，在加载系统中，加载力矩的输出不是滞后而是超前。而实际的 控制系统的作用正是尽量的减少多余力矩。所以在加载系统中加入此隶属于惯 性环节的弹性拉杆对补偿多余力矩的超前输出有积极的作用。 2 2 控制系统构成： 由于六通道负载模拟器的六个通道互相独立，分别用于六个独立的舵机铰 链力矩的仿真，所以各个通道可以进行独立的加载系统的设计，而六个通道的 加载可以在一台总控计算机的协调控制下进行统一工作，控制系统构成如下图 2 - 3 所示。 图2 3 ：控制系统构成 在本系统中，计算机控制系统由上位机和下位机组成。其中上位帆为一t 【i ：l f 祥p i l l lo g 工控机，上位机卜要用来完成以下功能：接受各个模拟通道的通 1 0 西北工业大学硕士学位论文 过a d 转换器采到的角位移信号：根据事先建立的载荷谱曲线。通过查表或 运算的方式得到相应于特定角位移处的载荷值；将得到的相应角位移的载荷 值作为指令信号送给相应的输出通道，作为下位机的输入控制量；用于测试 模拟负载器的主要的技术指标，并对测试数据以图表的方式显示出来；可通 过控制柜面板、键盘等输入设备设置六通道负载模拟器所要模拟的数值及波形 ( 即所谓的载荷谱) 能够产生一些作为测试用的标准波形如阶跃信号、 s i n c o s 信号、三角波信号、方波信号以及这些信号的复合信号等。 而下位机为t i 公司型号为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的d s p 芯片。它主要用来完成 以下工作：首先，d s p 控制器通过a d 转换器对力矩信号进行采样，以此采样 数据作为d s p 控制器的反馈输入；其次，d s p 控制器接收上位机送来的指令信 号( 即下位机的给定的参考输入力矩信号) ，并以此信号作为d s p 控制器的输 入信号，然后通过反馈控制器将此信号和反馈回来的实际力矩信号在d s p 控制 器中根据一定控制算法进行加工处理，得到对伺服力矩电机的控制信号，并将 此控制信号送给加载力矩电机。 通过以上的分析可知，下位机及其外围功能器件所组成的下位机系统的设 汁是保证整个加载过程精度的主要方面。限于篇幅限制，本论文只对下位机进 行系统设计和分析，通过对控制规律的设计使由角速度干扰所引起的多余力矩 尽可能地小，使力矩电机快速、准确的跟踪由上位机送来的参考力矩输入。 2 3 系统控制方法选择 在本设计中考虑到实际。| l 的多余力的消除、实时性和跟随精度要求，采州 了结构性j i 变性原理( 即前馈) 方法、模糊控制方法、传统的p i 控制方法和广 义的p i 控制方法相结合的混合控制方法。利用结构不变性原理消除由角位移引 起的多余力；利用模糊控制方法和传统的p i 控制方法相结合消除其他多余力( 如 l 相角加速度和角加加速度引起的多余力等) 并且提高系统的响应速度：同时z i ： 后面的章节中，还将其它控制方法作迸一步的探讨。 西北_ 业大学硕士学位论文 第三章：伺服加载系统建模 在电机伺服加载系统中，执行力矩电机在d s p 控制器的控制下对承载对象( 舵机) 进行加载。要消除由于位置干扰所产生的多余力，同时要使系统的输出力矩能够快速、 准确的跟踪系统的参考输入，就必须建立完美的控制器模型。然而，系统的控制模型 的建立依赖于整个系统的数学模型准确程度，它不但与加载系统的各个组成元件的模 型有关，而且还与承载对象的机械参数有密切的关系。所以系统建模的优劣程度将直 接影响系统的加载性能。在本章首先对组成系统的各个部件进行分析并给出其数学模 型，同时也对承载对象进行分析。最终得到系统的较为准确的数学模型。 3 1 电机伺服加载系统的组成及其互连关系 3 1 1 伺服加载系统组成： 如图3 一l 所示为加载系统组成，它由力矩函数发生器、d s p 控制器、放大器、力 矩电机、扭矩传感器、角位移传感器、m d 转换器及与舵机相关的部分组成。其中， 3 1 ：加载系统组成结构图 力矩函数发生器根据实时采到的角位移信号，以载荷谱为依据，通过查表或计算的方 法得到对应于舵机某一固定位置的力矩标准参考输入，在该系统中这项功能由：位机 来实现。f “j j 本系统只要考虑下位机的设计，所以认为下位机的输入为经过力矩函数 趟北 业大学碗士学位论文 发生器处理过的力矩的标准参考稚入值。根据第二章中的安装关系，在这里将加我摇 臀、弹性拉杆、舵机摇臂以及舵机都归入舵机部件中。 所以裰据黻上的分祈可知，在本章数学模鍪建立中韵主疆任务是，除了要建正好 的囊滤魄极数学模型赡，还应该对舵援帮咎戆转魂撰爨翻转矮撮据系统传动戆功率及 储存的动能不变的原则进行折算。 3 1 2 ；加载系统的元件选型 3 1 2 1 ：加载电机： 在零系统中瑟采鬻鹃黧载电税逸矮裁繇电枫厂生产靛j 2 0 0 l y x 0 4 力矩电机，它属 予永磁式直流商届力矩电桃范畴。它以低转速、大转怒壹接驱动受载l 乍为饲羧执褥元 件，同时它有过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小的特点，所以它特别 邋厢于要求控制精度商的速度控制系统或位置控制系统中，也适用于其他低速装黼中。 广泛弱藏臻予零王秘蔑瘸控镧系统中。 电机基本参数为：峰值堵转：电压6 0 v ，呶流8 a ，转距3 3 n m ； 连续堵转：电压3 0 v ，电流4 a ，转距1 65 n m ： 最大空载转速：1 0 0 r p m ；电气时间常数：1 5 m ； 毫枢转动镁爨：0 0 2 廷、蠢； 电枢魄感：1 2 m h ； 电枢电阻：75 欧： 3 。1 ，2 2 角位移传感器： 选鬟上海羲跃仪表1 - 一w d d 3 5 d 4 麓位移传感器，它戆基本参数为：葶蠡立线瞧溲0 ， 。 3 ，1 2 3 扭矩传感器： 选用四院第嘲十四研究所c n l 5 - i a 扭矩传感器，它的基本参数为：量程：2 0 n m ： 糕度：0 1 缀。 3 2 数学模型酶建立： 多余力舞i 越饲鼹热载系统r 嘲寄镌，它是影响热载瞧裁戆一个耋要困豢。锬拜淦 西北朋止大学硕士学位论文 定义上，所谓多余力矩是指由于被加载对象的运动所引起的附加力矩作用。可以理解 为在系统标准参考输入为零的情况下，被加载对象的运动仍然会受到力矩的作用、如 图3 - 2 所示为未加入控制环节时系统的原理框图。 l 割3 - 2 ：开环系统原理框图 3 2 1 电机模型的建立及其参数的确定： 3 2 1 1 电机电压平衡方程： 因为电枢绕组具有电感，同时在电机运行的过渡过程中电枢电流在变化，所以电 枢回路中将产生电抗电压，因此电压平衡方程应写成如下形式： l 卜k 警吨r o + e - 其中：u 。：为电枢绕组的端电压； e 。：为电枢感应电势； ，。：为电枢电流； 见：为电枢回路总电阻( 7 5 欧) ； l 。 ：为电枢回路总等效电感( 0 0 1 2 h ) 。 3 2 1 2i 乜枢绕绢的反电势： 西北工业大学硕士学位论文 电流通过电枢绕组产生电磁力及电磁转矩，但是这仅是电磁现象的个方面，另 一方面当电枢在电磁转矩的作用f 一旦转动后，电枢导体还要切割磁力线，产生感应 电势，其中感应电势的方向与电流方向相反，它有阻止电流流入电枢绕组的作用，因 此电动机中的感应电势是一种反电势。 则感应电势：e 。= c 加 因为q = 朵，所蛆2 c ，詈= 9 5 4 9 c 肛k q 其中：n ：为电机电枢转速； 西：为每极总磁通量。 k = 9 s 4 9 c 步熹= 5 7 3 2 丽v 上式表明：电动机反电势e 。在磁通中不变时与转速成正比。 3 2 1 3 电机的电磁转矩： t = c ，。= k ，1 。 其中：t ：为电磁转矩； c ，：为转矩常数，它与电机的构造有关，对己制成的电机该常数r ，：! 竺 一v o ，一 p：为电机电极对数； n：为电枢绕组的有效导体数； a：为电枢绕组的支路对数； k ， ：为电动机的转动常数( 1 6 5 4 = 41 2 5 n m a ) 。 由上式可知：电磁转矩的大小同每极磁通和电枢电流成正比，在电动机中电磁转矩是 驱动力矩，它与电枢转速方向相同，在电磁转矩作用下，电枢带动负载转动输出机械 功率。 3 2 1 4 直流电机转矩平衡方程： 力矩电机所产生的电磁转矩作为驱动转矩驱使电机旋转。 西北工业大学硕 学位论文 当电机带动负载匀速旋转时，其输出转矩必定与负载转矩平衡，但是电动机的输 出转矩并不足电磁转矩，因为电机本身具有机械摩擦、电枢铁：卷中的涡流、磁滞损耗 簿，这篓都要0 | 超阻转矩，藏疆转矩掰h 表示，这祥泡动祝的输出转矩t 2 便等予电磁 转矩减去电毒几本身的嫩转筵下e ，鼹t 2 = t - t c = t b 。这表唆了堍凝稳态运褥黠，其竣整转 矩的大小由负载阻转矩决定。若辩将电机本身的阻转矩和负载的阻转矩结合在一起作 为总阻转矩t s 田一t l 。在这尾通过简化、假设认为电机本身的阻转矩t l 与转子角速度 墨线毪关系，都有：t 。= b 。q 。 嚣蜜嚣上邀辊经卷工佟予转速交讫鹣惰凌t ，由予当电辊转速交纯时电视帮负载 典有转动惯量，这样姆产生惯性聋专矩疋= j 等。所以瞧撬的力矩平衡方稷熟下： 肚r ，+ j 。等= b + r 。+ 。等= r ，+ ，。等+ 嚣。q 其中：妒：为负载的总转矩； t ；：为电机本身酌阻转矩，即空载转矩； j 。 ：为负载积电动机转动部分的转动惯量。 q ：为电机角逋度 日。 ：为粘滞摩擦系数( 注：在本设计中忽略了本项即b = ( ) ) 另外，对于象电机这样的执行机构都存在着非线性特性，即存在着非线性摩擦 力，它跫运动速泼帮时间静函数。飙静摩擦力弱动摩擦力疆经过四个过渡阶段，共 有七个参数，旦这些参数要遥避实验数方法寒餐裂。鼹缢怒佬诗法餐餮豢线毯：摩擦 力模型是f _ 分复杂的。为了简化通常只取近视模型戏只提取模型中的本质特性，这 样只接进行少量的实验得到有关参数。其中，非线性摩擦力与速度成指数关系，其 模型翔一f ： t s = s 溅磷，曩+ s 妇峨嚷r 。一t g e x p ” 其中：。：为输 n 角速度；t s ：为静黪擦力矩；乳：必库仑摩擦力矩； 西北工业大学硕士学位论文 a ：为指数时间常数；s i g n ( 6 2 ) ：为符号函数 t s 和t c 的值可以通过实验来确定 3 2 1 s 直流电动机模型方框图： 图3 - 3 ：直流电动机模型方框图 3 2 2 扭矩传感器的数学模型及其参数确定： ，= ( 臼一只) g 其中：良：为电机的转动角度； 0 ：为舵机转动角度； g 。：为扭矩传感器的刚度系数( 7 5 0 n 州r a d ) 。 3 2 3 舵机部件模型： 3 2 3 1 转矩折算： 用电机拖动舵机时，电机轴上的阻力矩t r 反映了承载对象( 舵机) 轴上的负载转 矩t 一所以必须将舵机轴上的负载转矩折算到电机轴上。由上一章的系统构成可知舵 机部件由舵机、舵机摇臂、弹性拉杆和加载摇臂构成，假设忽略弹性拉杆的变形，则 认为加载摇臂和舵机摇臂的转角和转速相同为鼠，同时由安装图示可知弹性连杆始终 作平动运动。 利用达朗贝尔的静力矩平衡原理及空间连续律可得到此机械网络的动力学方程。 1 7 蕊鸵 - 韭大学联学位堍文 出于 乃一上警吐誓一 警嘎+ * 。 则此机械网络方程为 t = ( j ，) 警岬， 其中：r ，：为舵机的阻力矩； ，。：为加栽摇臂的转动惯量； ，。：为舵机摇臂的转动惯量； j ， ：为舵机的转动惯量 3 。2 ，3 2 缀薪算精静力矩平衡方程： 出力矩平袋方程秘撬冀公式可褥毫橇煞力矩平餐方程受； 托j 、噜喁+ 酗 五：为舵机部件等效到电机轴上的转动惯爨，蠢j 。= ；+ 歹。+ ，+ 了，= o 0 4 躲舻 j ：为电枢转动惯量( o , 0 2 k g m 2 ) 。 3 2 。4 放大器传递函数： 放大器为比例环节，其比例系数为足，( 这j b 取1 ) u 。= k ，一 其中：e ：为误差 3 。2 。5 误熬： = 罩；一罩f 其中：? ：为参考竣入力矩。 3 。2 。6 系统模型综合： 西北1 1 业大学_ 颐士学位论文 3 2 6 1 加载系统模型方框图 联合以上各式可得到闭环系统方框图如3 - 4 所示，由图可知，此系统为双输入、 单输出于系统。 3 2 6 2 加载系统传递函数 圃 糕 嫌 幅 基 节 嚣 两北工业大学磺士学位论文 由加载系统方框图可知该系统为双输入、单输出系统，即疋( s ) 变化、毋，( 。) 变化都 会影响输出力矩丁， ) 的变化。历以在这羼可采用线性叠加原理来求系统竣波。 当角位移： 二扰输入统= 0 时，出绘定指令信号g l 起的传递函数查珏下： 喇描2 赢魂面网觋筹怒丽丽蕊 当标准参考输入l 姆) = o 时，由角位移干扰引起的多余力传递函数如下： 喇= 锱= 赢孤爵糕黠篙掣端嬲丽 所以，输出力矩t a 啪鱼嶙嫂剑 其中k 。= 足，+ k ， | p ) = 厶。j 。s 3 十( 己。b 。+ r 。j 。b 2 + r 。b ，s d 嘏) = 上。j 。s + 也。b 。+ r 。j 。) s + b 。五。十r 。曰，+ 95 4 9 k 。c 。b + 足，足。g 。 幽上面公式可知是以舵机的运动为干扰输入时系统的加载力矩。 然藤，当渡邀掇戆运动瓷予撬输入瓣有： r ，：堡苎：! ：互二! ：照三墨堑! ：兰垦兰蔓：堡竺墨二肇垒垦 k ，k ，g 。十弛。s + 咒弦。g 。g ) 其中：哆= 也s + r 鼽+ 皖s ) = t 以驴+ 也玩+ p g o ) s ：+ r 峨s q 扭) = t s + ( r o + 群群) 3 3 多余力分析与测量方法： 内以上瀚建模和分祈可知，加载系统的力矩输出等于控制器酌输出所产生湘力矩 狳爨热上承载对蒙熬运动辨零l 起戆力矩徐壅。当系统豹标准参考输入瓦：0 时，输出 ) j f 4 1 t ：一! ；裂，她力矩鼗为多余力矩。献公式中霹知，多余力矩蚕毯与热邃瘦干 d 裕 ”一“一 执有关，丽鼠还与负加速度嚣l 惩撩趱逮渡懿于撬寿关，懑露燕趣速度帮窝撼燕邃瘦随 西北 业大学颀1 一学位论文 关，而且还与角加速度和角加加速度的干扰有关，同时角加速度和角加加速度随着承 载对象的运动幅度和运动频率的增加呈急剧增加的趋势。所以采用当前较为常用的不 变性原理仅进行速度补偿在承载对象大幅度运动时系统消除干扰的效果较差。 仅从多余力矩的计算公式可知，多余力矩只不过是扰动引起的输出误差，似乎从 公式出发消除它应该比较容易，但是从实际系统考虑，在没有补偿和控制时，角位移 扰动没有经过抑制环节直接作用于输出端，这时多余力很大以至无法使用。同时加载 系统中各个元件的参数具有非线性和不确定性，所以要想通过对消的方法来完全消除 此多余力几乎不可能。因此多余力矩的抑制问题一直是加载系统研究的重点。 由于在加载系统中加载精度和动态频带为系统的主要指标，所以对多余力矩重要 的是要给出其合理的测薰方法，以使得测量结果具有一般意义上的可比性。目前所用 的测量方法有静态多余力矩测量和动态多余力矩测量。静态多余力矩测量是使系统的 标准参考输入为0 即加载回路开环时测量力矩传感器的输出，此值为一静态值，然后 再在此测量方法的基础上加入闭环控制，在其它条件完全一致的情况下，再测量消扰 后的多余力，则可通过比较知道这种控制律的消扰效果，或计算出这种控制律的消扰 的比例因子。而动态多余力矩测量方法为在加载回路开环且标准参考输入为0 时驱动 承载对象按照一种正弦规律运动，测量这时力矩传感器的输出，同样也可以计算动态 情况f 的消扰比例。 西北工业大学硕士学位论文 第四章：控制律设计及系统仿真 在本设计中根据实际系统的要求和本系统的特点，选用了混合控制的方法 以从不同的角度来克服系统产生的多余力，同时提高系统的响应速度。在本章 详细的设计了控制器的各个部分，并且对设计的控制器进行系统仿真。 4 1 控制规律设计： 由上章的对象建模可知，当从加载侧运动干扰来设计多余力补偿环节比 从承载侧运动干扰来设计多余力补偿环节实现起来简单，而且前者在补偿后得 到低阶的系统，这样便于以后的校正环节的实现，避免了高阶实现中所带来的 各种误差。所以在本设计中以式r ，= 兰墨篆器坐堕为出发点来设计校正器。 由于电机中的非线性是由指数型的静动摩擦力等因素造成的，对它的消除 与补偿，从理论上讲可以通过在线性控制量上加一个相反方向且幅值相等的摩擦 力即可。但由于自身的非线性，采用常规控南0 器很难预测它的大小并加以消除。 采用经典控制理论所设计的常规控制器，在实际应用中尤其在变速或变向的情况 下进行跟踪时，往往无法达到令人满意的效果。同时由于系统稳定性与跟踪精度 之间存在的矛盾关系，为了更好的兼顾非线性补偿与稳态精度两方面的要求，在 本设讨。中采用混合控制的方法。 所谓混合设计方法即为从职能分工的角度设计控制器来消除多余力，即将 控制器的输出u 分解为u l 、u 2 和u 3 三部分，其中u l 和u 2 为对位置扰动所引 起的多余力干扰进行补偿，u ，为对误差的前向校正输出。即有： ( ，p ) = u 。 ) + u 。p ) + u ，0 ) 从结构上来说这种控制器由对多余力的定常补偿部分、内环自适应补偿部分和 前向校正部分组成。即得到用混合控制方法来消除多余力的系统框图如。f 所示。 i 1 该图可知，即要设计三个控制器g 。0 ) 、g ： ) 和q 0 ) ，其巾具体设汁步骤为： 西北工业大学硕士学位论文 图4 - i ：混合控制多余力补偿方法示意图 从式n = 堡堡铲出发设计一个以抑制多余力矩为目的的定常补偿器 g t 心) ；设计一个f u z z y 一- p i 内环模糊自适应控制器g 。0 ) ，以提高对系统非 线性和参数变化不确定性的适应能力；设计前向通道控制器g 0 ) ，以提高 系统对误差的跟踪性能。所以这种方法把对控制器在抑制多余力矩、提高抑制 多余力矩效果的鲁棒性和对给定信号的动态跟踪性能三个方面的要求进行了职 能分工，具有较好的控制性能。 4 i 1 定常补偿器g 。p ) 的设计： 定常补偿器设计是以开环系统模型为出发点，经过等式推倒的方式来求解 控制器传递函数。当以电机的运动为干扰输入时，要使系统在定常情况下输出 的多余力为o ，即有r ，：兰苎铲：o 。所以定常补偿器的输出z ：肇譬以，k u 自p j 。 k 进而可求解得到定常补偿器的传递函数为： g b 1 ：二兰盟：垦：厶点：! 鱼! 宣! 壑! ! ! 点：星! 旦! 璺 一j k pk。x，k 但是在实际中考虑到物理上的可实现性，则必须对上式进行修改，即对一l 二式乘 西北工业大学顸士学位论文 以一个三阶滤波器才有其实用价值。所以经过改变后的定常补偿器的传递函数 如下式所示： g = 耸搿篇嚣群 4 1 2 内环模糊自适应控制器g ：p ) 设计 基于数学模型的传统控制算法难以满足控制系统的要求，以获得满意的系 统动态性能，尤其在系统参数变化、有负载扰动和系统的模型建立时的不准确 性等情况下，这种动态性能差的情况更为明显。而模糊控制在某种意义上撇开 了控制对象的数学模型，根据专家知识和实际经验，通过模糊运算和模糊推理 实现对控制对象的精确控制，以弥补传统的控制算法的缺点带来的局限性。 在纯模糊控制器中，由于有分档时的局限性，所以控制动作不够细微，尤其是 在模糊零点附近的控制精度很不理想，这不利于消除系统的稳态误差，因而难 以达到比较高的控制精度，而p i d 控制器在理论上它的积分环节可以使系统的 稳态误差为零，所以这里考虑采用将模糊控制和传统的p i d 控制相结合，取模 图4 - 2 ：模糊控制器g ： ) 原理框图 西北工业大学硕士学位论文 糊控制方法的跟踪速度高、对对象模型要求不高和p i d 控制方法的稳态精度高 的优点，同时考虑到传统的双模模糊p i 控制采用的是开关硬切换，其控制过程 不光滑，容易造成系统的抖动，并且它还要求所使用的模糊控制器必须是精调 好的，而模糊控制器的控制规则常常调整起来比较困难。考虑到以上这些方面 的问题，这里采用智能模糊p l 控制方法( 即f u z z y - p i ) 。这样既能够适应非线 性和参数变化的要求，又能够在理论上使系统的稳态误差为零。控制器组成如 上图所示。 4 1 2 1 智能监控器的设计： 在该控制器的设计中，根据误差和误差的变化设计一个智能控制器，该控 制器采用模糊逻辑推理技术，实时的监控并调整模糊控制和p i 控制的比例因子， 使模糊控制阶段和p i 控制阶段之间光滑、连续的过渡，这样又使得整个控制过 程智能化。所以这种控制方法既减少了系统的抖动，又降低了对模糊控制器的 设计要求，同时又提高了系统的稳态精度。 智能监控器的设计采用了模糊推理的方法，它的输入为误差e 的模糊量e 和误差的变化量c e 的模糊量c e ，输出为比例因子n ，其关系如下： 其中c ( e ，c e ) ，f ( e ，c e ) 是两个测度模糊集合，分别代表e 和c e 距离零点的 远近程度，他们的隶属函数曲线分别为下图所示， ( a )c b ) 圈4 - 3 ：智能监控器测度隶属函数曲线 面勰 西北工业大学硕士学位沦文 图中e 。和如分别为根据系统的实际情况而确定的误差的上界值和下界谴，d 为 误蓑交佬罐弱爨羧僮，它们瓣壤通过螽嚣豹仿囊礁定。裹测疫滚疆函数鲢线w 知，在误差的模糊量j e i ) e ：时，控制器的主要目的是非线性影响的消除，同时 使系统以较快的速度跟踪输入；在 b l e 。时，控制的重点则转移到系统跟踪精度 的撬高上；蕊在e 。 l e l e 。是两种控制方法的过渡，两种控稍方法有一滗倒较德。 对痰予e 裂c e 豹塞属爨数如下： 一士冒+ 2 霹【墨。丑t ) 点+ 2f 。：二州2 一l m 点+f e 卜岛。一暖】。 露2 一最 。 2 。； o = 二= 女占一l 玛一霆1 一上。冒。1 邑一趣 1 嚣 墨，霆， 曰池，岛) 日0 毛一置】 p l 客： 一去+ ( c g d ) c e * o 。)f l * c g 黜e 【) 去+ ( 潍+ d ) e ( - d ，o 】；l , c c g ) ； 一刍- 隰锵e ( _ 籼】 ? 咽猢 1 8 c l g t 醐 式中如僻x 鳓 ) 分别代表c ( e ，c e ) 、f ( e ，c e