（机械制造及其自动化专业论文）三轴转台伺服控制研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 三轴转台是测试惯性元件的关键设备之一。随着航天、航空工业的发展， 对惯性元件的精度要求不断提高，同时也对测试转台的性能指标要求越来越 高。本文以三轴转台伺服控制研究为背景，根据三轴转台总体方案，着重讨 论伺服控制器的设计和实时软件的开发。本论文主要进行了以下几个方面工 作： 首先，通过对转台总体方案的分析，确定工控机和数据采集卡为系统的 主控平台，采用直流力矩电机直接驱动转台各框，其中中框采用双电机同步 驱动方式，解决由于配重所造成的系统惯性增加而给系统响应所带来的不良 影响。 一 其次，建立系统的数学模型，并确定系统采用速度内环和位置外坏的双 环结构，并对系统仿真结果进行分析。 接着，针对转台在运行过程中负载力矩的不确定性，采用模糊p i d 控制 器作为系统位置环的控制器。并对常规p i d 控制规律和模糊p i d 控制规律进 行比较，表明模糊p i d 控制器是一种性能优越的控制器。 最后，分析了w i n d o w s 系统和r t x ( r e a lt i m ee x t e n s i o n ) 系统的实时性 特点。通过对w i n d o w s 系统和r t x 实时扩展系统在实时精度性能方面的比较， 根据系统高速数据采集卡的硬件体系结构，提出采用基于m f c 和r t x 的综合 软件模型，开发了转台控制系统实时软件，解决了实时控制软件难以在 w i n d o w s 操作系统下运行的问题。 关键词：三轴转台；伺服系统；模糊p i d ；实时扩展系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i n e a x i st u r n t a b l ei so n eo fk e yd e v i c et ot e s tt h ei n e r t i ac o m p o n e n t w i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h ea e r o s p a c ea n da v i a t i o ni n d u s t r y , r e q u i r e dt oi m p m v et h e p r e c i s i o no fi n e r t i ac o m p o n e n t ，a c c o r d i n g l y , t h ep e r f o r m a n c ei n d e xo ft h et e s t t u r n t a b l em u s tb eh i g h e ra n dh i g h e r t h et h e s i sw a gw r i t t e no nt h eh a c k 到) u n do f t h et h r e e - a x i st u r n t a b l es c r v oc o n t r o lr e s e a r c h , a c c o r d i n gt ot h eo v e r a l lp l a no f t h e t h r e e - a x i st u r n t a b l e ，i tm a i n l yf o c u s e do nt h ed e s i g no ft h e $ e 1 n 0c o n t r o l l e ra n d t h er e a l t i m es o f t w a r e f o l l o w i n ga r et h em a i nw o r k sa n dt h er e s u l to f t h et h e s i s ： f i r s t l y , b ya n a l y s i so ft h et u r n t a b l eo v e r a l lp l a n ，w eu s e dt h ei n d u s t r i a lp c ， d a t aa c q u i s i t i o nc a r dt ob u i l dt h ec o n t r o ls y s t e mp l a t f o r m ，a d o p t e dt h ed ct o r q u e m o t o rt od r i v et h ee v e r yf r a m ed k c c f l ba n dt h et e c h n o l o g yo fd u a l s e r v om o t o r s y n c 栅o n o n sd r i v ew a gu s e di nt h em i d d l ef l a m e ，i ts o l v e dt h ep r o b l e mt h a tw e m u s tb o b - w e i g h tw h i c hw o u l di n c r e a s et h es y s t e mi l l e m 扎i tw i l lb r i n gh a r m f u l i n f l u e n c et ot h es y s t e m sr e s p o n ds p e c i a l i t y s e c o n d l y , w ec o n s t r u c t e d t h ec o n t r o l m o d e l ，a d o p t e dt w oc l o s e d l o o p s t r u c t u r ew i t ht h ei n n e rv e l o c i t yl o o pa n dt h eo u t e rp o s i t i o nl o o pf o rt h es y s t e m , a n da n a l y z e dt h es i m u l a t e dr e s u l t t h i r d l y , i nv i e wo ft h eu n c e r t a i n t yo ft h el o a dm o v e m e n ta tt h et u r n t a b l e r u n n i n g 双a t i l s w eu s e dt h ef i t z z yp i dc o n t r o l l e ri nt h ep o s i t i o nl o o pc o n t r 0 1 c o m p a r i n gt h er e g u l a t i o no ft h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rw i t ht h ef u z z yp i d c o n t r o l l e r , i ti n d i c a t e dt h a tt h ef u z z yp i dc o n t r o l l e rw a sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a l p i dc o n t r o l l e ri np e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h e t h e s i s a n a l y z e d t h er e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i c so fw i n d o w s o p e r a t i o ns y s t e ma n dr t x ( r e a lt i m ee x t e n s i o n ) s y s t e m b yc o m p a r i s o nt h e r e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e mw i t ht h ew i n d o w so p e r a t i o ns y s t e mi nt i m er e s o l u t i o n a n dt h eh i g h - s r e e dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d sh a r d w a r ep l a t f o r m ，w ec o n s t r u c tt h e i n t e g r a t e ds o f t w a l r eb a s e do nm f ca n dr t x e x p l o i t e dt h er e a l - t i m es o f t w a r ef o r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h ec o n t r o ls y s t e m , i ts o l v e dt h ep r o b l e mt h a tt h er e a l - t i m es o f t w a r ei sd i f f i c u l tt o r u nu n d e rt h ew i n d o w so p e r a t i o ns y s t e m g e l o t o r d $ ：t h r e e - a x i st u r n t a b l e ；s e r v os y s t e m ；f u z z yp i d ；r e a l - t i m ee x t e n s i o n s y s t e m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 。 作者( 签字) ：雌 日期：砷年，月诌日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 航空、航天工业的发展水平是一个国家科技能力、经济实力和国防实力 的重要标志。各国为了政治稳定、经济繁荣及国防强大，都不遗余力地发展 航空、航天工业。惯性导航和制导技术是航空、航天领域中的项核心技术。 随着航空、航天事业的飞速发展，对惯性导航与制导系统的工作精度也不断 提出新的要求。同步通讯卫星的准确定位、航天器的发射、导弹的准确定位， 这些都采用高精度导航与制导技术。 惯性导航元件是惯性导航与制导系统的核心部件，它的性能决定着航天 器的稳态性能( 定位精度) 与动态性能( 跟踪性能) 。惯性导航设备通常是由加 速度计和陀螺仪等元件组成，如平台式惯性导航系统、捷联式惯性导航系统 等都是由加速度计和陀螺仪组合而成。因此，惯性导航系统的工作精度取决 于陀螺仪和加速度计的精度。 转台是检测和评价惯性导航元件的主要设备，其主要功能是标定惯性导 航元件的技术指标，验证惯性导航元件的可行性和可靠性。随着陀螺和加速 度计等惯性元件精度的提高，对转台精度和性能的要求也越来越高。在铡量 技术领域中，测试设备的精度要比被t 禊4 元件的精度高出一个数量级，至少三 倍以上，转台的要求也是这样。要研制出商精度的惯性导航系统，追切需要 高精度的惯性导航元件测试设备。我国研制的惯性系统三轴综合测试转台就 是为了高精度惯性导航元件的测试需要提出来的”1 。 1 。2 国内外转台研究现状 1 2 1 国外转台的发展状况和趋势 世界上航天技术发达的国家，如美国、俄罗斯、英国、法国、德国等， 都投入了大量的资金和人力从事转台的研制。美国是世界上研制转台设备实 哈尔滨工程大学硕士学位论文 力最雄厚的国家，从事转台的研制己经有五十多年的历史。目前美国在转台 制造方面，无论在数量上、品种上、还是测量精度、测试自动化程度方面都 居世界领先地位，代表当今世界最高水平。英国、德国、法国、俄罗斯等国 家转台的发展深受美国的影响。研制转台系统性能和质量仅次于美国 1 9 4 5 年在美国麻省理工学院仪表实验室诞生了世界上的第一台转台 a 型转台。采用普通的滚珠轴承，用交流力矩电机驱动，角位置测量元 件采用滚珠微动开关。由于采用的元件精度比较低，并且无经验可借鉴，这 台转台存在很多缺点，精度也很低，实际上没有投入使用。以后相继在1 9 5 0 年研制成功了b 型伺服转台，1 9 5 3 年研制了c 型转台，1 9 5 4 年d 型转台投入 使用，它改为直流力矩电机直接驱动，精密锥形的滚动轴承来支撑台体以减 少轴系的径向振动，电敏感系统构成的角位置测量元件，其性能比b 型和c 型转台有很大的提高。1 9 6 8 年，在d 型转台的基础上，设计和制造了e 型转 台，e 型转台的主要结构材料是非磁性材料3 5 6 号铝，采用轴向和径向带有 压力补偿的液压轴承，并在二轴上使用了空气轴承，采用光学元件读出系统 测量角位置，定位精度在3 ”之间。后来美国的“欧文斯伊利诺斯”的菲克 ( f e c k e r ) 系统分公司研制成功了t - 8 0 0 型伺服转台，它的研制成功标志着 美国的转台设计己经达到了一个新的水平。 美国专门研制和生产转台的c g c 公司于六十年代初开始，生产了5 2 系列 低速转台，这些转台能测试漂移率为3 6 ”h 的陀螺，均为气浮轴承低速转台。 六十年代末期，c c , c 生产了3 7 系列单轴转台和5 7 6 8 及5 5 6 9 型双轴转台。其 中5 5 6 9 型转台可采用计算机进行自动测试。该转台可以工作在伺服、同步速 率、辅助速率、数字位置、自动转位以及纸带定位等状态。c g c 公司于6 0 年 代末至7 0 年代初研制并生产了5 1 系列的双轴气浮轴承转台，型号包括5 1 a 、 5 1 c 、5 1 d 、5 1 g 等，其中5 1 a 、5 1 c ，5 1 6 型转台均可测试陀螺漂移率为3 6 ”h 的陀螺，精度达到1 ”。c g c 公司于7 0 年代初研制并生产了5 3 系列的多轴陀 螺测试转台，型号包括5 3 b ，5 1 d 、5 1 e 和5 3 g 等，其中5 3 b 为四轴惯性制导 测试转台，5 3 d 、5 3 g 和5 3 e 为三轴转台。c g c 公司研制的5 l 系列双轴转台及 5 3 系列的多轴转台均采用了3 0 h 模型化精密角位置控制系统m p a c s ( m o d u l a r p r e c i s i o na n g u l a rc o n t r o ls y s t e m ) 它在总体设计上采用了功能模块化， 联接总线化、通讯接口标准化、机箱标准化等四条现代工业电气设备所采用 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的措施，这些措施使t p a c s 系统具有功能全、自动化程度高，使用方便、可 维护性好、更新能力强、经济指标好等优势，也使之成为各国转台研制工作 借鉴的蓝本。 自八十年起，美国转台的研制工作和生产已进入到系列的模块化阶段， 所使用的精密轴承、测角测速和驱动马达等都已有了配套产品。为了适应转 台技术要求的迸一步提高，c g c 提出研制高精度的三轴测试台i t t t ( i m p r o v e dt h r e ea x i st e s tt a b l e ) ，i t a t t 的许多性能指标代表了当今惯 导测试转台的发展水平，设计中使用的许多新技术和措施对今后惯导测试设 备的发展来说，是具有代表性的。为了提高转台的性能，i t a t t 高级三轴测 试台的设计中采用了一系列措施。如： 1 轴承方面：现有的一些测试设备采用的是空气轴承，而高级三轴测试 台采用了有源磁悬浮技术，这样可将轴的回转精度从0 5 ”提高到0 0 3 ”； 2 测试台的结构式样方面：现有的一些测试台采用的是铝材框架式结 构，而高级三轴测试台则采用了石墨复合材料球形壳体结构，这样就改善了 对称性和偏转特性； 3 驱动器方面：现有型号的一些测试台采用的是直流交流力矩电机， 而高级三轴测试台则采用了多相感应马达，从而消除了马达的齿槽效应和力 矩波动； 4 角位置传感器方面：现有型号的一些测试设备使用单一的感应同步 器，而i t a l v r 高级三轴测试台则采用了感应同步器和光学编码器组合，从而 使测角精度从0 5 ”提高到小于0 0 3 ”； 5 控制方面：c g c 原有的一些测试采用的是模拟数字技术，而高级三 轴测试台采用了数字状态反馈技术，这样可消除偏移，并为误差补偿创造了 条件。 采用了上述技术后，改进的高级三轴测试台i t a t t 的综合指向精度可达 0 1 ”，速率平稳性在0 0 0 1 0 s 2 0 0 0 s 内可达1 0 - 6 ( 1 0 0 平均) ，轴的定位精 度为0 0 3 ”，综合技术指标提高一个数量级。表1 1 是c g c 公司典型三轴转 台性能表： 综观美国仿真测试转台的发展历史，可以看出，转台的整体性能要求向 着高精度、高频向、多功能、自动化的发展方向。为使适应这一要求，转台 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由单轴走向多轴势在必行，转台的驱动由交流力矩电机发展为直流力矩电机， 驱动方式由间接驱动发展为直接驱动，转轴的支撑由机械轴承发展为液压静 压轴承、气浮轴承、甚至是有源磁悬浮轴承以减少摩擦，同时，计算机控制 作为提高测试转台的自动化程度的有利手段，已经成为转台控制系统实现的 必然趋势叭羽。 表1 ic g c 公司典型三轴转台性能表 转台自 轴系回轴的正交位置精 速度范 型号轴系尺寸围( 度 重( 磅)转精度性( ”)度( ”) 秒) 全部气浮 8 5 5 0 0 5 3 g6 0 0 01 l17 0 0 轴 1 6 1 6 2 2 1 0 0 0 内、中环气 1 7 0 2 5 0 0 5 3 e浮外轴手 1 9 1 9 2 3 7 0 0 00 731 7 0 0 动 0 5 i 0 0 0 全部机械 2 0 0 5 0 0 5 3 h 一1 3 0 0 0l33 7 5 0 轴 1 6 1 6 x 2 9 1 0 0 0 5 0 0 全部机械 2 0 0 5 3 埘一2 5 5 0 0l3l7 5 0 轴 由2 0 2 4 1 0 0 0 全部机械 2 0 0 4 0 0 5 3 w 1 l o o olll4 0 0 轴 2 5 2 5 2 5 1 0 0 0 1 2 2 国内转台研制的发展和现状 我国转台起步于1 9 6 5 年。较美国晚二十年，但发展速度还是较快的，差 距正在逐渐缩小。1 9 7 4 年，由7 0 7 所研制成d t _ l 型低速转台，1 9 7 5 年，由 3 0 3 所研制成的s f t 一1 i 型伺服转台，与c g c 的2 0 0 型转台类似，主要用来 进行伺服试验，可测漂移率为o 1 0 h 惯性系统。1 9 7 9 年，由哈工大、4 4 1 厂和6 3 5 4 所共同研制成我国第一台双轴伺服转台“7 1 9 1 ”双轴空气轴承转 台。1 9 8 2 年，由6 3 5 4 所研制成“7 1 9 1 - i i ”型双轴转台。该转台是在“7 1 9 1 ” 转台基础上，在提高精度、方便操作、扩展功能、提高可靠性和增加连续工 作时间方面傲7 改进。1 9 8 3 年由1 3 所研制的s s f t 伺服转台是我国最大的双 轴转台。它设计用来测量漂移率为0 o l o h 的双自由度陀螺、三自由度陀螺 4 和加速度计。1 9 8 5 年，由哈工大研制的d p c t i i 型转台是我国第一台计算机 控制的转台，该转台采用了些国际上比较流行的技术，利用先进的控制算 法，使转台测角精度达到l ”，设计指标是可测漂移率为o 0 0 1 0 h 的陀螺。 1 9 8 7 年哈工大与6 3 5 4 所共同研制成功的c c g t 型陀螺测试转台，为计算机控 制的双轴测试转台，可测试漂移率为0 0 0 1 。h 的陀螺。1 9 9 0 年，航空部3 0 3 所研制成功了s g t i 型三轴捷联惯导测试转台，该转台采用机械轴承，其主 要性能指标是：本轴回转精度为2 ”，不垂直度为1 ”，铡角精度为i ”。且前， 哈工大正研制或已完成h i t 三轴测试转台、g s t - i 三轴综合测试台，c t - i 单 轴伺服台、s c r - i 三轴测试转台、光学成像五轴仿真转台等二十余个转台。 从目前的转台性能指标对比可以看出，现在我国研制转台同美国摺比仍 有较大的差距。主要在角传感器的精度和动态性能、驱动设备的低速性能、 台体制造工艺及安装、控制技术方面还存在差距。但是，我国在大一系列的 转台的研究过程中，在驱动设备，位置检测元件和控制技术等方面都取得了 很大的进步，这些技术的积累为高精度的转台研究提供了条件。 1 ，3 转台伺服控制系统研究的主要问题 三轴仿真转台最重要的性能要求有：高频响、低速度、宽调速、高精度。 实现高频响性能，依赖于执行元件，控制元件，框架材料。框架结构和控制 系统的设计；实现低速度性能的关键是电机和支承方式的选取、控制系统的 设计；实现宽调速的关键是电机性能、测速元件分辨率、驱动方式和控制系 统的设计；决定转台精度高低的是测量元件的分辨率、驱动元件的性能、三 轴间的正交性和控制系统的设计等等旧。 针对转台砖台的性能要求，就伺服控制系统的设计，众多学者进行了探 讨和研究，可以说，对于仿真转台这样的系统来说，其控制系统所要解决的 问题是十分复杂的，概括起来目前主要的研究方向和重点解决的问题有以下 几个方面暇”： ( 1 ) 带宽的扩展 随着航空、航天设备、导弹等被仿真体的动态性能的提高，对仿真设备 的频带要求越来越高。仿真转台位置伺服系统的频带是指相位滞后- 9 0 0 或幅 哈尔滨工程大学硕士学位论文 值衰减到一3 d b 时的频率值。国内用户通常用- 1 0 0 相移和幅值误差小于10 9 6 的相移指标来衡量转台系统频带。频带宽度反映了转台响应输入信号的快速 性。 提高转台的带宽可以加快转台系统的响应速度，提高转台动态跟随精度。 限制仿真转台伺服系统频宽的主要因素有驱动元件的功率、机械结构谐振频 率、系统中各元件的频带、系统响应速度与稳定性的矛盾以及系统的抗干扰 能力。工程实际中设计动力机构时应能使其提供转台的最大角速度和最大角 加速度。因此当驱动元件确定之后，彻底解决频宽问题的途径是解决系统的 固有频率，但是这又受到工艺水平、材料性能和成本因素的制约。电动转台 系统中机械部分相互耦合可形成各种谐振模式，因此常采用将伺服电机轴与 负载刚性连接，以提高机械谐振频率，降低结构谐振对系统性能的影响。另 外在控制系统设计中用抑制谐振峰值的出现来展宽频带也是一种好的办法。 抑制谐振峰值一般采用加速度反馈以提高系统的阻尼比或采用带阻滤波器滤 掉谐振峰。应用现代控制理论中的一些方法，如极点配置等，也能保证系统 具有较好的快速性能。 ( 2 ) 精度问题 三轴仿真转台的高精度指标主要包括各框架轴的转角位置精度及三个框 架的轴线垂直度和相交度。位置精度一般从稳态误差和静态误差两方面体现 出来，稳态误差是由系统跟踪信号所产生的误差，静态误差主要是由执行元 件与负载的摩擦，电机和放大器等的死区、滞环、零偏、零漂等非线性以及 测量元件的误差引起的。控制系统的角位置和角速度测量精度决定着转台控 制系统的控制精度，因此分析测量误差来源，在控制上采用补偿等方法提高 角位置和角速度的测量精度是必须考虑的问题。 垂直度和相交度由各框架、机座、执行元件的加工、安装尺寸精度和相 互位置精度，各框架轴承的运动精度及框架的交形等因素决定。另外三轴转 台各框架同时以较大的角速度和角加速度运动时，框架问存在着动力学耦合， 尤其当各框架处于非正交情况下，这种耦合效应会更显著，将大大降低转台 的高频响应精度。摩擦力矩的存在还会严重影响转台低速运动时的跟踪精度， 由于摩擦力矩正反向特性不对称且很不稳定，很难用一般的常参数控制器加 以补偿。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 各框架间的动力学耦合问题 通过三轴转台模型的建立可以看出：三个框架同时运动时，不仅会带来 各框架轴上转动惯量的变化，还会引起框架间力矩的耦合。当速度和加速度 较大时，各框架问的耦合也比较严重，着不采取有效的解耦补偿措施，将很 难保证系统的精度和动态跟踪性能，而解耦网络本身又是一个变参数系统， 实现有一定的难度。采用鲁棒滑模解耦控制方法，该方法对系统的参数摄动 和外部干扰具有很强的鲁棒性，但系统在滑模面上存在高频抖动现象。采用 自适应模糊解耦控制方法不需要干扰精确模型，设计较简单，但控制精度不 高。总之，讨论转台耦合的文献很多，但成功的应用实例很少见。 ( 4 ) 低速性能问题 低速性能是三轴仿真转台整体性能好坏的重要标志之一良好的低速性 能不但给简化系统机械结构，实现系统的宽调速创造了条件，而且能使设备 仪器的功效得到充分的发挥，大大提高其实用价值。影响仿真转台低速性能 的因素很多，十分复杂，对电机直驱伺服仿真转台而言，主要关键因素在于： a ) 框架驱动元件一电机本身的低速性能；b ) 测量控制系统的分辨率。系统 分辨率误差使低速运动的爬行加剧，使系统的跟踪性能变差，因而对于高精 度的转台系统应尽量选择分辨率高的测量元件和控制元件；c ) 动静摩擦力的 影响。在设计时主要方法是减小动、静摩擦力矩差别和加大系统的刚度，减 小动静摩擦力矩的差别对系统的影响。从控制方法上，可以采用加速度反馈、 模型参考自适应控制、摩擦模型补偿等方式来降低摩擦力矩对系统的影响。 尽管前人对如何解决系统低速问题作了很多的工作，提出了很多的理论 方法、方法可以降低摩擦力矩的影响，但是实际工程中的转台系统仍然存在 低速爬行、跳动问题，因此有必要对转台系统摩擦问题进行进一步的理论分 析和实验研究，确定合适的控制方法。 ( 5 ) 可靠性、稳定性和安全性设计 三轴仿真转台是模拟飞行器或导弹的飞行姿态和飞行动态特性，从而实 现对被测惯性导航和制导系统性能的测试，为实际试飞或改进设备性能提供 科学的可靠的数据，因此转台的可靠性是十分重要的。同时被测设备造价都 很高，因此转台的稳定性和安全性也是不容忽视的。随着转台功能越来越复 杂、精度越来越高，转台不可靠、不稳定和不安全等问题都成为转台设计时 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 必须给予充分考虑的问题。模块化、标准化和工程化就是保证转台可靠性和 稳定性的有利方法。对于安全性问题，就要通过转台控制系统中的软、硬件 的多重保护来实现，如采用多级安全保护和系统在线错误辨识等。 ( 6 ) 电磁兼容性研究 电磁兼容性是航空和航天领域中的常见问题。随着近几年惯性器件和电 子技术的发展，在仿真转台研制过程中电磁兼容性问题占有越来越重要的地 位。惯性器件越灵敏，也就越容易受到外界的干扰，尤其是转台的大功率驱 动对被测设备的干扰；同时被测设备陀螺仪中的一些信号( 如脉冲调宽加温电 源) 也会对转台传感器产生影响，严重时会导致转台工作不稳定。所以开展转 台电磁兼容性的研究是十分必要的。 1 4 转台伺服控制算法的研究现状 转台伺服控制系统的功能就是在确定了台体结构、驱动方式、测量元件 等硬件和控制方案之后，采用合理的控制算法，最大限度地挖掘闭环控制系 统的潜力，使转台的性能达到或者超过设计指标。常用的转台控制算法有，： 1 经典p i d 控制：在转台控制系统的实际调试中经常使用的是p d 或者 p i d 控制器( 串联校正方法) ，其基本的思想就是利用比例、微分的超前作用 来对消系统被控对象中的大惯性环节。然而常规的p d 、p i d 控制器常常会因 为放大器的饱和而削弱微分信号的补偿强度，并且由于被控对象的参数变化 而减弱p i d 控制器的调整效果。因此单纯的p i d 调节器只适用于系统低负载、 小扰动和非线性因素不强的场合 2 复合控制：由于受转台系统固有惯性和系统中小惯性环节的影响，位 置及速度回路前向通道和反馈通道的增益调节范围受到限制，不能通过对增 益系数的调整进一步拓宽系统频带。在这种情况下，常常引入前馈控制器来 补偿反馈控制的不足。这种控制方式通常称之为复合控制。前馈控制器实现 的是开环控制，它本身不影响闭环系统的稳定性；控制量的输出并不等到输 出量发生变化形成偏差后才产生控制作用，在控制作用施加到系统的同时， 前馈作用就已经产生，因此控制更为及时；但当负载变化后，复合控制系统 闭环特性也随之变化。这时作为开环控制器的前馈控制器无法感知这一变化， 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所以说前馈控制对于系统参数变化的高灵敏度是一个很大的缺点。 3 自适应控制：对于定常系统，利用以上的经典控制理论可以设计出性 能优良的伺服系统。但是，在实际调试中经常发现由于干摩擦及负载转动惯 量变化造成控制对象参数的摄动，通常会导致速度环动、静态特性的明显变 化。同时复合控制系统对于系统参数变化又很敏感，所以在这种情况下，往 往应用自适应控制方案设计转台控制系统的速度环，然后将带自适应回路的 速度环等价为带附加输入的线性时不变系统，再用常规设计方法进行复合控 制系统的设计和调试。常用的成熟控制方案有模型参考自适应等方法。模型 跟踪系统跟踪速度快。控制规律容易实现，系统分析简单，但是必须知道模 型及控制对象的结构，而且往往对控制对象的结构和形式还有一定的要求。 4 重复控制；重复控制是指系统在作周期运行的过程中，除了使用当前 控制误差外，还“重复”将上一周期的运行误差与当前的控制误差叠加在一 起，形成新的偏差控制信号，其直接解决方案是应用内模原理构造内模控制 器。重复控制方法作为工程上简便易行的系统设计新方法，能够有效的解决 伺服系统对周期信号的精确跟踪问题，并增强系统鲁棒性。其缺点是只能跟 踪周期信号，这一点大大限制其在转台控制系统中的进一步运用。 5 智能控制：随着计算机技术的飞速发展，大存储量、高速的计算机设 备得到普遍应用。这极大地促进了智能控制技术的快速发展。模糊理论、神 经元网络理论现在已经相当成熟，并且在某些领域得到了广泛的应用。将智 能控制引入转台进行控制，能够针对系统的非线性因素和未建模特性进行， 对数学模型的依赖性不强，并具有自适应、自学习的特点。设计出的系统快 速性好、适应性强。随着其理论的进一步发展将会进一步成熟起来。 从现有的转台研究成果来说，其控制方式的实现一般采用都采用速度内 环、位置外环的双环控制模式，利用速度环来抑制干扰，位置环来保证跟随 精度。对于本伺服控制系统来说，各框架间的动力学耦合问题，导致系统模 型的时交，故采用智能控制方式，利用模糊p i d 控制算法在线调整p i d 参数 值，满足系统的伺服精度。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 5 本论文的主要研究内容 本论文研究的主要内容是三轴转台的伺服控制研究。根据作者在三轴转 台中承担的任务，本论文主要就以下几个方面进行详细论述。 1 系统的硬件和软件结构设计。根据系统的机械结构和性能指标要求， 确定系统的硬件结构和控制方式的选择，以及系统的软件程序框架。 2 根据所选的驱动元件和检测装置，建立系统的数学模型，并对系统进 行仿真分析。 3 介绍模糊控制的基本理论，设计转台系统的模糊控制器，并对常规 p i d 和模糊p i d 的控制结果进行比较。 4 根据转台系统高精度的要求，软件系统采用“w i n d o w s + r t x ”操作 系统，对软件系统中w i n d o w s 进程和r t x 进程任务的划分以及进程间合理的 通讯机制。 5 论文总结。 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章伺服系统总体设计 2 。1 转台伺服系统的运动技术指标 转台的总体机械结构采取u o - o 结构，其中内框、中框、外框的运动技 术指标如表2 1 ： 表2 1 运动技术指标 内框中框外框 角位置测量精度 3 i t3 ” - i ：3 角位置测量分辨率 o 3 6 ”o 3 6 ”0 3 6 ” 角位置测量重复性- + - 2 ” 2 ” 掣 角位置控制精度 5 ”5 ”土5 ” 速率范围 o 0 1 0 s 4 0 0 0 s o 0 l 。s 2 0 0 。s0 0 1 。s 2 0 0 0 s 速率精度5 1 0 4 ( 3 6 0 0 平均)5 l 旷( 3 6 0 0 平均)5 x 1 0 4 ( 3 6 0 。平均) 速率平稳度5 1 0 4 ( 3 6 0 0 平均)5 x l 旷( 3 6 0 * 平均)5 x 1 扩( 3 6 0 平均) 摇摆幅度 ：1 ：4 5 。3 0 0 1 5 。 摇摆周期 5 1 2 s5 1 2 s5 1 2 s 控制系统带宽 l o h z1 0 h z5 比 2 2 转台伺服系统的组成 我们研制的转台结构、伺服系统如图2 1 、图2 2 所示，主要由以下几 部分组成： 1 工控机+ 数据采集系统：提供人机界面，完成用户命令的响应、工作 参数设定和转台工作状况的显示；完成数据的实时采集；完成转台位置闭环 控制系统，可以精确的控制转台的转角，保证运动控制系统在任意角度的定 位和连续跟踪的精度。 。2 驱动系统；由驱动电机和驱动器构成电流环、速度环，保证电机的速 度稳定性和快速响应能力。 3 机械系统：转台本体 4 测量系统：位置传感器，完成电机位置的反馈，构成位置环；测速电 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 机，与驱动器一起构成速度环。 图2 1 转台三维结构图 图2 2 转台系统组成框图 2 2 1 转台系统的工作原理 转台系统的工作原理如图2 3 ，主要分为控制模块、功能模块。数据接口 是通过数据采集卡把功能模块的各种信息采集送给控制模块；控制模块是把 转台信息采集回来后，通过一定的控制算法，计算出控制量。通过数据接口 给到功能模块。功能模块是对控制模块的控制量予以响应，使转台按照预定 指令进行运动；功能模块主要是实现转台各轴的驱动和把转台的各种信息反 馈给控制模块。其中电机直接驱动转台各框。 控制模块 功能模块 图2 3 系统原理图 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统工作原理简述如下： ( 1 ) 首先通过用户界面设置运动参数，完成设备的初始化和运动过程的 规划，接着采样回来的信息通过控制算法构成位置闭环，计算出控制量的大 小，按控制规律输出控制量，使转台按照指定的运动规律运行。 ( 2 ) 控制量由d a 卡给驱动器，与测速机组构成速度环。i 0 设备检测 当前的转台的运动转台和对应急情况的硬件中断，反馈给界面。 2 2 2 转台伺服系统硬件结构 1 系统的硬件平台 目前，国内高精度转台数字控制系统的硬件实现主要有三种方式： ( 1 ) 以单片机为系统的控制核心，这种经典而又传统的单片机系统因其 集成度低、运算速度慢，而使得系统硬件接口电路复杂，软件接口繁多，而 使得系统实现起来特别庞大，且实时性不高，可靠性低，抗干扰能力弱，现 在不常用。 ( 2 ) 采用以d s p 为系统控制核心的专用运动控制器为系统的控制主体， 这种系统集成度商，接口简单，开放性好，能实现位置控制，多轴耦合等； ( 3 ) 采用高速的数据采集卡，伺服控制算法由p c 机进行处理，其软件通 用性好，编程灵活，加上实时扩展系统，可以满足实时处理的要求，达到高 精度。 目前第二、三种用的较多，本系统采用的是研华公司的数据采集卡来实 现运动控制器” 所用到的数据采集卡有d a 卡p c i 1 7 2 1 如图2 4 ，i 0 卡p c i - 1 7 5 4 如图 2 5 ，正交编码器和计数器卡p c i - 1 7 8 4 如图2 6 ： p c i 一1 7 2 1 有5 m h z 最大数字更新速率，p c i 总线数据传输，自动校准功能， 4 路模拟量输出，带1 kf i f o ，每个模拟量输出通道带一个1 2 位d a c ，内部 外部触发的实时波形输出，同步输出功能，灵活的输入类型和范围设定，系 统重启动后保持输出设置和输出值，1 6 路d i o 和1 个i o m h z1 6 位分辨率计 数器，板卡i 扩。 p c i - 1 7 5 2 能够提供隔离数字量输入通道和隔离数字量输出通道，隔离保 哈尔滨工程大学硕士学位论文 护电压可到2 5 0 0 v d c 。它们是要求采取高电压隔离工业应用的理想选择。此 外，所有输出通道在系统重启动后都可以保持它们上次的输出值。同时， p c i 一1 7 5 2 1 7 5 6 提供通道冻结功能，在操作工作中可以将每个通道的当前输 出状态维持不变”。 p c i 一1 7 8 4 是一款p c i 总线的4 轴正交编码器和计数器卡。该卡带有四个 3 2 位四元a b 相位编码计数器，多时间范围选择的8 位定时器，4 路隔离数字 量输入和4 路隔离数字量输出。它灵活的中断源非常适合用于运动控制和位 置监控” 图2 4d a 卡( p c i - 1 7 2 1 ) 图2 6 计数卡( p c i - 1 7 8 4 ) 图2 5i o 卡( p c i 一1 7 5 4 ) 如上所选的控制设备，我们所搭建的三轴转台系统的硬件结构如图2 7 所示。 三轴伺服系统的硬件平台主要是实现3 自由度( 内框、中框、外框) 的 运动，分别由3 个直流力矩电机驱动( 其中中框采用双电机同步驱动) ，速度 反馈采用测速电机，与驱动器构成速度环位置反馈采用圆光栅，由数据采 集卡计数卡) 接收反馈的信息，在工控机里经过一定的算法处理输出给数据 采集卡( d a 卡和i o 卡) 。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 。ji 。j 图2 7 系统硬件体系结构 2 双电机同步驱动 本系统的中框是o 形，结构采取双点支撑，由于所需力矩比较大，所选 的电机也比较大，如果采用单电机驱动的话，必然两端受力不均，需要进行 配重，这样就增加了系统的惯量，对系统的动态响应特性不利，采用双电机 同步驱动可以避免这个问题。 图2 8 双电机同步控制框图 对于硬轴连接的双电机驱动系统，电机的转速被强制同步，因此保证电 机的出力平衡将是转台稳定运行的关键。显然如果两台电机由一套驱动器驱 动，电机性能的差异将导致出力的不平衡，而且这种差异是无法调节的，因 哈尔滨工程大学硕士学位论文 而不宜采用。而采用两台驱动器分别控制两台电机关键在于驱动器间的联系 与控制，一般有转速随动和转矩随动两种形式。其中转矩随动方式更容易实 现，动态性能更好，故这里的传动系统设计采用了这种方式。 当某电机的转速较其它同步运行电机转速快时，其负载电流必加大，反 之负载电流必减小。此外，硬轴连接的多驱动电机之间存在着耦合关系，当 某台电机的转速降低时，该电机在系统中不仅失去了拖动作用，还要作为负 载被传动链上其它电机拖着同步运转，这导致其它电机的负载立即加重。因 此对这类硬轴连接同步驱动的多台电机，其控制原则应是以电机运行转速信 息为参考，以电机的负载电流信息为依据。同步驱动系统控制框图如图2 8 所示1 喊。 2 2 3 转台伺服系统软件结构 运行在控制计算机上的软件系统是转台伺服系统的重要子系统，负责任 务的管理和实现，同时完成系统性能的检测、实验数据的记录和分析，以及 与操作人员的人机交互。控制计算机在软件系统的指挥下实时采集转台各轴 的信息，经过一定的控制算法给出控制系统运行所需的控制信号，使转台各 轴按照预定信号运动，顺利完成整个系统的各种实验。 系统软件主要完成下面的任务： 1 系统自检； 2 实验参数的设定； 3 实验任务的调度： 4 实时故障检测与应急处理； 5 实时信息的采集； 6 完成对采集信息的处理和控制信息的输出； 7 实验数据的后处理； 8 j 各种状态显示及实验数据的显示 由以上的转台软件的特点，软件的总体结构如图2 8 所示： 在w i n d o w s 系统下实现实时高速控制是转台控制系统的重要基础但 i i n d o w s 系统不是一个实时操作系统，它对突发事件的啊应不能满足时限需 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 求。但它的微内核和层次化系统设计提供了良好的可扩展性。我们选用 v e n t u r c o m 公司的r t x ，通过它向w i n d o w s 操作系统添加实时功能，使得那些 需要确定性和快速性( 即实时性) 的应用组件得以实现。 r t x 为w i n d o w s 添加了一个实时子系统r t s s ，它可以看作是w i n d o w s 的一种内核驱动程序和一个扩展的实时硬件抽象层( l a l ) 。r t s s 执行自己的 实时线程调度而不是使用w i n d o w s 的线程调度，共支持1 2 8 级线程优先级。 所有的r t s s 线程调度超前于所有的w i n d o w s 的线程调度，包括w i n d o w s 管理 的中断和延迟过程调用( d p c ) 0 2 | o 图2 8 软件总体结构 r t x 提供一个多任务环境。多任务使得许多程序在表面上表现为并行执 行，而实际上内核是根据基本的调度算法，使它们分段执行。r t x 中多任务 调度算法是基于优先级的抢占调度。r t x 有从0 到1 2 7 共1 2 8 个优先级，在 创建的时候，任务被指定一个优先级，并且在任务的执行过程中可以动态地 修改优先级。外部中断被指定优先于任何任务的优先级，这样能够在任何时 候抢占一个任务。r t x 内核提供了一套丰富的任务问通信与同步的机制。这 些通信功能使一个应用中各个独立的任务协调它们的活动。r t x 内核的任务 问通信机制的基础是所有任务所在的共享地址空间通过共享地址空间，任 务能够使用共享数据结构的指针自由通信，大大提高了实时任务的数据交互 效率。r t x 同时有着稳定的运行性能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通过上面对w i n d o w s 和r t x 操作系统的分析，我们可以看出w i n d o w s 加 r t x 是十分理想的实时控制系统运行平台。它既保留了w i n d o w s 原有的优点， 如良好的图形显示功能和良好的硬件支持等，同时它又增加了r t x 的实时功 能。 2 3 本章小结 本章主要是介绍控制系统的总体方案，硬件结构采用工控机、数据采集 卡，搭建了系统的硬件平台，对于中框由于转矩比较大，采用双电机同步