文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.183112
中文引用格式: 郭彥青,,段志強,王龍,,等. 通用測試轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2019,,45(3):42-45,49.
英文引用格式: Guo Yanqing,,Duan Zhiqiang,,Wang Long,et al. Design and research of universal test turntable control system[J]. Application of Electronic Technique,,2019,,45(3):42-45,49.
0 引言
隨著科技的發(fā)展,專用測試設(shè)備越來越難滿足測試的需求,,暴露出很多弊端[1],。在20世紀80年代中期,以美軍為例,,各類專用自動測試設(shè)備多達兩千多種,,總數(shù)超過30萬臺,每年專用自動化測試設(shè)備的開發(fā)費用就超過10億美金[2],。美軍在80年代制定了“通用自動測試設(shè)備”計劃,,旨在建立符合“自動化、標準化和通用化”標準的測試保障平臺,,達到降低研制費用,、提高綜合診斷測試結(jié)果對的目的[3]。轉(zhuǎn)臺作為導(dǎo)彈,、飛機等飛行器的重要測試工具,,相關(guān)性能的要求也隨之越來越高[4-5]。本文設(shè)計一種通用測試轉(zhuǎn)臺,,通過對不同的標準硬件進行組合和專用機構(gòu)的調(diào)整,,以適應(yīng)多種導(dǎo)彈進行測試[6],。
傳統(tǒng)的專用測試轉(zhuǎn)臺往往只面向一種類型的導(dǎo)彈進行測試,在設(shè)計其控制系統(tǒng)時也只需考慮一種情況,,因此其控制系統(tǒng)相對比較簡單,,利用傳統(tǒng)PID控制即可實現(xiàn)[7-10]。而在進行通用測試轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)設(shè)計時,,需考慮在更換不同導(dǎo)彈類型之后控制系統(tǒng)所受到的影響,,在更換導(dǎo)彈之后,系統(tǒng)的很多參數(shù)都會發(fā)生變化,,普通PID控制無法適應(yīng)變參數(shù)控制系統(tǒng),。與傳統(tǒng)PID控制方式相比,模糊控制適合于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型,、具有非線性和大滯后過程的控制系統(tǒng)[11-17],。本文著重研究變負載情況對通用測試轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的影響,同時提出了模糊自適應(yīng)PID控制方法[18-20],,以實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)針對不同負載的自整定,,最終實現(xiàn)對控制系統(tǒng)性能的提升。
1 通用測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計
轉(zhuǎn)臺是機彈鏈路系統(tǒng)專用測試工裝,,用于吊艙,、導(dǎo)彈在水平、垂直,、滾轉(zhuǎn)的姿態(tài)調(diào)整,,主要完成3個自由度的測試。由于不同類型導(dǎo)彈的長度,、質(zhì)量及直徑的不同,,在進行轉(zhuǎn)臺硬件設(shè)計時,需要考慮其通用性,。
通用測試轉(zhuǎn)臺的升降裝置由多級剪叉式機構(gòu)構(gòu)成,,利用雙液壓缸進行驅(qū)動,升降高度范圍為1.2~3 m,,可適應(yīng)不同類型導(dǎo)彈垂直方向的高度要求,。水平裝置由伺服電機、蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu),、轉(zhuǎn)盤軸承構(gòu)成,,通過控制伺服電機接收來自測控系統(tǒng)的指令,帶動蝸輪蝸桿進行工作,,蝸輪蝸桿經(jīng)小齒輪將力矩傳遞至回轉(zhuǎn)支撐裝置(轉(zhuǎn)盤軸承)的大齒輪上,,回轉(zhuǎn)支撐在大齒輪的帶動下,驅(qū)動水平回轉(zhuǎn)工作臺進行回轉(zhuǎn)動作,。滾轉(zhuǎn)裝置由伺服電機和專用齒輪構(gòu)成,,專用齒輪可進行靈活調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同直徑的導(dǎo)彈進行滾轉(zhuǎn),。通用測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)框圖如圖1所示,3個自由度控制均有手動,、自動控制,,同時上位機界面可實時監(jiān)控各軸運行情況以及當前所處位置。
2 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)軟件設(shè)計
依據(jù)整個設(shè)備控制時的3層結(jié)構(gòu)設(shè)計,,系統(tǒng)實現(xiàn)時的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
由圖2可以看出,整個軟件設(shè)計時分四大部分:上層應(yīng)用軟件,、實驗運動驅(qū)動,、TRIO底層電機驅(qū)動、PLC手動控制,。其中TRIO底層電機驅(qū)動軟件直接與各電機驅(qū)動器進行連接,,實現(xiàn)電機的直接控制,該部分性能的好壞直接決定了通用測試轉(zhuǎn)臺的性能,。實驗運動驅(qū)動部分針對多種類型導(dǎo)彈實際應(yīng)用需求,,開發(fā)通用的接口程序。為方便操作人員的使用,,轉(zhuǎn)臺還加入了手動操作功能,,實現(xiàn)該操作功能的是PLC手動控制程序,。該程序接收來自現(xiàn)場的各按鈕和傳感器信號,,并將其通過485通信方式傳遞給TRIO底層電機驅(qū)動軟件,底層電機驅(qū)動軟件根據(jù)收到的相應(yīng)操作指令,,手動操作各電機的運行,。在實際測試過程中,直接操作的是上層應(yīng)用軟件,,在該軟件中,,通過與專用的DLL程序進行交互,開展相應(yīng)的實驗工作,。DLL庫文件接收上層應(yīng)用軟件的指令,,并實時經(jīng)網(wǎng)線傳遞給TRIO底層電機驅(qū)動軟件,從而完成一個完成的控制流程,。實際軟件運行流程如圖3所示,。
3 系統(tǒng)建模及控制器設(shè)計
3.1 系統(tǒng)搭建
影響通用測試轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的因數(shù)有很多,本文著重研究變負載對轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的影響,。當負載發(fā)生改變時,,對轉(zhuǎn)臺3個自由度運動影響最大的是轉(zhuǎn)臺的水平回轉(zhuǎn)運動,所以研究轉(zhuǎn)臺水平回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)尤為重要,。首先需要對控制系統(tǒng)進行建模分析,,以便能夠更加準確深入地了解變負載對水平回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的影響,。
轉(zhuǎn)臺水平回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)對象是電機,其數(shù)學(xué)模型如圖4所示,。
以電樞電壓U(s)為輸入變量,,以專用齒輪轉(zhuǎn)速n2(s)為輸出變量,其傳遞函數(shù)為:
由式(4)可知,,系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量對傳遞函數(shù)有很大影響,。在進行不同類型彈體測試時,彈體質(zhì)量不同,,造成系統(tǒng)慣量不同,。針對慣量不斷變化的控制系統(tǒng),普通PID控制無法實現(xiàn)快速穩(wěn)定的調(diào)節(jié),,因此需要一種能夠針對不同慣量實現(xiàn)PID自整定的控制方法,。本文提出了一種模糊自適應(yīng)PID控制,以誤差e和誤差變化率ec作為輸入,,利用模糊規(guī)則在線對PID參數(shù)進行修正以滿足不同負載下的e和ec對PID參數(shù)自整定的需求,,從而消除由負載變化所引起的系統(tǒng)振蕩,并提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,。
3.2 模糊PID控制策略介紹及控制器設(shè)計
模糊PID控制器由兩個部分組成:傳統(tǒng)PID控制器和模糊化模塊,。PID模糊控制的首要任務(wù)是找出PID的3個參數(shù)與位置誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系,在運行中不斷檢測e和ec,,根據(jù)確定的模糊控制規(guī)則來對3個參數(shù)進行在線調(diào)整,,滿足不同e和ec時對3個參數(shù)的不同要求??刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖如圖5所示,。
其控制器表達式為:
4 系統(tǒng)仿真分析
為驗證模糊自適應(yīng)PID控制可以更好地適應(yīng)不同負載下控制系統(tǒng)快速穩(wěn)定的調(diào)節(jié),根據(jù)前面所建立的系統(tǒng)模型,,在MATLAB中構(gòu)建SIMULINK仿真,,圖6為系統(tǒng)仿真模型。圖7為不同負載下傳統(tǒng)PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制的控制效果對比圖,。
由圖7可知,,在不同負載條件下,兩種控制方式的響應(yīng)速度不同,,傳統(tǒng)PID控制的響應(yīng)時間總是高于模糊自適應(yīng)PID控制,。在負載為1 t時,傳統(tǒng)PID控制的系統(tǒng)響應(yīng)時間比模糊自適應(yīng)PID控制高0.273 s,;負載為2 t時,,傳統(tǒng)PID控制的系統(tǒng)響應(yīng)時間比模糊自適應(yīng)PID控制高多0.284 s;負載為3 t時,傳統(tǒng)PID控制的系統(tǒng)響應(yīng)時間比模糊自適應(yīng)PID控制高0.385 s,。經(jīng)分析可知,,相對于傳統(tǒng)PID控制,模糊自適應(yīng)PID控制在變負載情況下可迅速做出調(diào)整以適應(yīng)當前負載,,保證系統(tǒng)響盡可能小地受負載的影響,。
5 結(jié)論
本文所設(shè)計的通用測試轉(zhuǎn)臺可以對多種類型導(dǎo)彈進行測試,有效降低了專用轉(zhuǎn)臺的研制費用及研制周期,,同時提高了測試設(shè)備的適應(yīng)性,、靈活性和可拓展性。通過對比傳統(tǒng)PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制可知,,在變負載的情況下,,模糊自適應(yīng)PID控制通過檢測到由負載變化所引起的位置誤差及誤差變化率,快速調(diào)整系統(tǒng)PID參數(shù),,使系統(tǒng)的響應(yīng)速度盡可能小地受到影響,,對被控對象的非線性和時變性具有一定的適應(yīng)能力,從而保證系統(tǒng)快速穩(wěn)定地運行,。
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作者信息:
郭彥青1,,段志強1,王 龍2,,高宏偉1,,李 賽1,林炳乾1
(1.中北大學(xué) 機械工程學(xué)院,,山西 太原030051,;2.華北計算機系統(tǒng)工程研究所,北京100083)