仿真转台的设计与应用

仿真转台的设计与应用

1仿真转台设计模拟平台是一种具有重大经济价值和国防战略意义的高级模拟试验设备，在推动该武器开发方面发挥着极其重要的作用。导弹作为现代化战争最重要的打击手段已被近年来发生的局部战争所证明。导弹制导系统是导弹及飞行器的核心部件,评价制导系统性能主要有两种方法:一种是在实际打靶或实际飞行中获得数据,再依据这些数据来分析、评价制导系统的性能;另一种方法是通过模拟导弹或飞行器的实际飞行环境,用仿真设备在地面测试、评价制导系统的各项性能指标,检测系统的工作状态和跟踪精度。随着航天、航空工业的发展,航天、航空工业产品的结构日趋复杂,造价日趋昂贵,作为实验和测试数据的飞行、打靶次数将越来越少,因而第一种方法已经不是评价制导系统的主要手段。随着计算机和其它相关技术的发展,第二种方法由于具有造价低,可重复测试,仿真极其安全的优点,得到了越来越广泛的应用,成为导弹系统研制和评价其它航空、航天设备的主要手段。仿真转台可以在实验室条件下真实地模拟飞行器、导弹、鱼雷等在空中或水中实际飞行时的各种姿态,复现其运动时的动力学特征,从而对它们的制导系统、控制系统及其相应器件的性能进行反复仿真和测试,获得试验数据,并据此对其进行重新设计和改进,达到总体设计的性能指标要求。仿真转台性能的优劣直接关系到仿真试验可靠性和置信度,是保证航空、航天和武器系统精度和性能的基础,因此对转台提出了日益苛刻的高精度、高频响等技术指标,这给仿真转台的整体制造水平和性能提出了新的课题,也给转台伺服控制系统设计与实现提出了更高的要求。2旋转机构的特点三轴仿真转台的三个框架(分别称为内框、中框和外框)轴互相垂直,被测件装在与内框轴固联的负载盘活支架上。内框轴支承在中框架上,中框轴支承在外框架上,构成了内、中、外三个回转自由度的万向框架组合体。其中,外框负责飞行器的偏航姿态模拟,称为方位环;中框负责飞行器的俯仰姿态模拟,称为俯仰环;内框负责飞行器的自旋转模拟,称为滚动环。转台的布局有立式和卧式两种形式,分别如图1、2所示。立式转台的外框轴垂直于水平面,卧式转台的外框轴平行于水平地面。立式转台的外框结构多数为音叉式,中框架为U型,而内框架结构多数为圆盘式,因此重力偏载常常是该布局所固有的特点。音叉式结构的主要优点有二:一是前方和上方是敞开的,便于装卸和观察被测件;二是当转台实现方位和俯仰运动使框架处在不同位置时,框架自身重力引起的静态变形的差别不大,这一点对设计高精度仿真转台有利。其主要缺点是外框架的动态刚度偏低,为此也可将外框设计成封闭的O型结构,在其上方也设置支承,但转台的高度和外形尺寸将增大。卧式转台的外框架为O型结构,如图2所示,其两端分别支承在刚度很高的两个立柱上,使外框架和转台总体机械结构的刚度高。由于外框用两个马达同步驱动,因而有利于提高转台俯仰方向的固有频率。此外,外框马达排量大,因而重力偏载力矩占的比例小。其主要缺点是当外框架轴向尺寸较大时弯曲刚度低,在重力作用下的弯曲变形不容忽视。仿真转台按其驱动元件可分为:(1)电动仿真转台,它的所有框架全部由电机驱动;(2)液压仿真转台,它的所有框架全部由液压马达驱动;(3)符合驱动式仿真转台,其内框架由电机驱动,中、外框用液压马达驱动。液压马达输出力矩大且功率密度高,在同样条件下,液压马达的体积和重量仅为电机的12%～20%左右,所以适用于大负载仿真转台和小负载但频带很宽的高频响仿真转台。液压马达的调速范围大,可以从最低角速度0.0004(�)/s无级调速到300(�)/s,其速度比范围超过50万倍。电机驱动不需要设置油源;电机可实现连续回转,而摆动马达则不能。但近年来由哈尔滨工业大学研制出仿真转台用连续回转叶片式马达,其最低稳定转速已经达到0.005(�)/s,位置精度为0.006�、12kg�m2,惯性负载下-90°相移为9Hz。3确定转台协调控制方案从第一台转台诞生至今已有半个多世纪的历史,世界各国的专家们在研制高性能转台方面作了大量卓有成效的工作。对转台超低速、宽调速、高频响、高精度等性能指标的实现,除靠结构方案、布局型式、驱动元件及驱动方式的正确设计外,还要选择与其相适应的控制方案。对于转台控制系统,目前主要的研究方向和重点解决的问题有以下几个方面:(1)提高转台带宽随着航空、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-90�或幅值衰减到-3dB时的频率值。国内用户通常用-10�相移和幅值误差小于10%的-90�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,提高跟随精度。限制电液仿真转台伺服系统频宽的主要因素有能源功率容量、液压—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抗干扰能力的限制。转台运动时的能量来源于高压液压油,因此油源功率容量在根本上限制了液压转台系统的快速性。工程实际中设计液压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。液压转台系统中的液压部分和机械部分相互耦合可形成各种谐振模式,因此常采用将伺服马达轴与负载刚性连接,以提高液压—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)误差和接触条件三轴飞行姿态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,伺服阀和放大器的死区、滞环、零偏、零漂等非线性以及测量元件的误差引起的。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变形等因素决定。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,框架间存在着动力学耦合,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。模型参考自适应控制是解决这类问题的有效方法。(3)鲁棒滑模解耦控制方法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,各框架间的耦合也比较严重,若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。文献提出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。文献提出的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)大负载耦合机构的振幅特性在大惯量功率系统中,都几乎共同面临着一个结构谐振问题。三轴转台的结构谐振主要是由各框架马达传动机构的柔性与大负载惯量引起的,它有一定的谐振频率,如果这一谐振频率接近伺服系统频宽,将使系统的稳定性受到威胁。因此,常将转台系统机械部分的固有频率设计成为驱动部分固有频率的3倍以上。(5)基于双电液伺服阀的同步控制方案在大型电液伺服飞行姿态仿真转台中,采用双马达直接同步驱动中框框架的方案。由单侧驱动变为双侧驱动不仅使外框架负载对称、结构对称,而且使中框架受力更加合理。据计算,采用这种驱动方案会使框架组件的刚度增加一倍,从而可以使框架组件的固有频率提高达40%。但采用此方案,不可避免地存在一个如何保证双液压马达同步控制的问题。虽然,为了保证两电液伺服阀和两液压马达具有相同的性能指标,组成同步系统的两液压马达是成对设计和制造的,两伺服阀也是同一批生产的产品中配对试验选取的,但由其组成的两组阀控马达系统之间仍然存在差异,导致两马达输出不同步。为满足高性能指标要求,应确定一种适合于仿真转台用的电液位置同步驱动系统的最佳控制策略。双电液伺服马达同步驱动控制系统可采用共反馈共校正、分反馈分校正、共反馈同步误差校正、主/辅控制单边校正以及状态差值反馈等几种同步控制方案。文献还提出了一种具有静态解耦功能、基于神经网络的自适应PID控制策略,为实现高精度转台的同步驱动提供了新的途径。(6)提高抗混叠性能低速性能是三轴飞行姿态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,对电液伺服仿真转台而言,主要有液压马达的摩擦与泄漏特性,伺服阀的最小稳定流量,轴承的摩擦特性及油源的压力脉动等。这里关键在于框架驱动元件——液压马达本身的低速性能。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,它们有如下好处:a)减小动静摩擦力矩的差别可改善摩擦力矩的降落特性。针对转台用马达而言,叶片和壳体之间的密封对低速爬行产生很大影响,同时它还决定了马达内泄漏的大小。目前,有采用间隙密封的,这种密封结构简单,摩擦系数小,但加工精度要求高,受加工工艺水平的限制;另一种是普遍采用的O形橡胶圈密封,其密封效果好,但易磨损,摩擦系数大,不利于减小低速爬行。为解决马达的可靠密封,减小泄漏,并降低静动摩擦力矩差,可采用某种特殊添加材料组合密封形式,以缓解伺服系统的低速爬行,改善低速性能。b)防止空气侵入液压系统,以提高液压油的刚性,从而提高系统的刚性。c)伺服阀分辨率也是影响系统低速爬行的因素之一。伺服阀的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伺服阀。一般来说,伺服阀流量增益越小,其分辨率越高。考虑到电机低速运动时,伺服阀必须满足提供稳定的微小流量,且保证要达到较高的分辨率,可采取变增益伺服阀控制马达运动的方案。变增益即:当马达处于高速或常速运动的情况下伺服阀呈高增益,当马达处于低速运动时伺服阀呈低增益,以实现较高的分辨率。当马达排量不大时,可采用单阀变增益,而马达排量大时可采用不同流量规格的两伺服阀并联或相同流量规格的两伺服阀并联两种方案。d)在低速时,给伺服阀加颤振信号,也可减缓爬行。当低速运动在干摩擦区时,如果使系统接触运动部件作相对微小运动脱离该区,则可以明显减小摩擦力矩,从而系统低速精度得以提高。为此在伺服阀的输入端加入频率为300Hz左右、幅值为伺服阀额定电流10%左右的正弦波,使伺服阀始终处于运动状态。由于系统带宽一般远小于这个频率,且该信号幅值较小,这一颤振信号不会对系统形成误差。另外,加在伺服阀上的这一颤振信号还可有效地防止附壁流的形成,去掉由滑阀产生的失灵区,防止滑阀的粘合。e)提高系统阻尼比ζh将使临界速度降低,改善低速爬行。影响阻尼比的因素很多,提高系统总的流量压力系数可使ζh增大,但同时也加大了马达的泄漏。提高油液有效体积弹性模量βe将使ζh有显著提高,所以减少回路中空气含量将有效地提高阻尼比。从控制的角度来说,对液压系统的摩擦力矩补偿可分为基于模型补偿和非模型补偿两种方法。对于非模型补偿,可采用鲁棒控制器摩擦补偿,如图3所示。其设计思想是:由于实际系统存在建模误差、摩擦等非线性因素,因此抽象出来的数学模型并不是真实的实际对象模型。在实际处理时,可假设一个等效干扰,它代表着非线性因素和所有影响系统的干扰,因此通过使等效干扰归零的方法,即可使系统具有鲁棒性。对控制器而言,系统内部任何非线性因素和摩擦等外来干扰的影响都互相补偿掉了,而控制器所调节的系统相当于参数并未发生变化的对象。对于基于模型摩擦力矩的补偿,可采用C.CanudasdeWit等人的摩擦模型(详见参考文献)。试验及仿真证明:选择适当的参数后可消除低速爬行现象,另外还可用神经网络方法建立扰动力矩模型对系统进行在线补偿。可设计较为简单的前向网络,利用其逼近非线性函数能力,建立起扰动力矩的数学模型。由于转台的扰动力矩主要是摩擦力矩和负载转矩,因而忽略随机扰动力矩影响,可认为当系统和负载一定时,扰动力矩是速率ω的非线性函数,显然这是一静态过程。使用前向神经网络建立这一非线性模型后,由于分别逼近较为简单的非线性函数,网络权值训练容易收敛。选用多层前向网络来实现,