《電子技術應用》
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通用測試轉臺控制系統的設計與研究
2019年電子技術應用第3期
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 機械工程學院,山西 太原030051;2.華北計算機系統工程研究所,北京100083
摘要: 設計并研制了一款針對彈艙測試的通用型測試轉臺,并針對其在測試不同負載過程中所出現的系統振蕩、系統響應時間長等問題進行了深入研究。提出了一種模糊自適應PID控制方法,以誤差和誤差變化率ec作為輸入,利用模糊規則在線對PID參數進行修正以滿足不同負載下的e和ec對PID參數自整定的需求,從而消除系統振蕩并提高系統響應速度。通過進行系統建模及仿真,對比不同負載下的普通PID控制與模糊自適應PID控制的控制效果。由仿真分析可知,相對于普通PID控制,模糊自適應PID控制可以及時識別到負載的變化,從而相應地調節系統的PID參數,使系統保持一定的響應速度。
中圖分類號: TP273.4
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. 通用測試轉臺控制系統的設計與研究[J].電子技術應用,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.
Design and research of universal test turntable control system
Guo Yanqing1,Duan Zhiqiang1,Wang Long2,Gao Hongwei1,Li Sai1,Lin Bingqian1
1.School of Mechanical Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.National Computer System Engineering Research Institute of China,Beijing 100083,China
Abstract: A general test turntable was designed and developed for the test of the bomb chamber, and in-depth research on the system oscillations and long system response time that occur during the test of different load processes are given. A fuzzy adaptive PID control method is proposed. Taking the error e and the error change rate ec as inputs, the fuzzy parameters are used to modify the PID parameters online to meet the requirements of e and ec for PID parameter self-tuning under different loads, which will eliminate the oscillations and increase the response speed of the system. Through system modeling and simulation, the control effects of common PID control and fuzzy adaptive PID control under different loads are compared. According to the simulation analysis, the fuzzy adaptive PID control can recognize the change of the load in time compared with the normal PID control, which will help to adjust the PID parameter of the system accordingly, so that the system maintains a certain response speed.
Key words : universal test;PID control;fuzzy algorithm

0 引言

    隨著科技的發展,專用測試設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備多達兩千多種,總數超過30萬臺,每年專用自動化測試設備的開發費用就超過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果對的目的[3]。轉臺作為導彈、飛機等飛行器的重要測試工具,相關性能的要求也隨之越來越高[4-5]。本文設計一種通用測試轉臺,通過對不同的標準硬件進行組合和專用機構的調整,以適應多種導彈進行測試[6]。

    傳統的專用測試轉臺往往只面向一種類型的導彈進行測試,在設計其控制系統時也只需考慮一種情況,因此其控制系統相對比較簡單,利用傳統PID控制即可實現[7-10]。而在進行通用測試轉臺的控制系統設計時,需考慮在更換不同導彈類型之后控制系統所受到的影響,在更換導彈之后,系統的很多參數都會發生變化,普通PID控制無法適應變參數控制系統。與傳統PID控制方式相比,模糊控制適合于那些難以建立精確數學模型、具有非線性和大滯后過程的控制系統[11-17]。本文著重研究變負載情況對通用測試轉臺控制系統的影響,同時提出了模糊自適應PID控制方法[18-20],以實現轉臺控制系統針對不同負載的自整定,最終實現對控制系統性能的提升。

1 通用測試轉臺系統結構及硬件設計

    轉臺是機彈鏈路系統專用測試工裝,用于吊艙、導彈在水平、垂直、滾轉的姿態調整,主要完成3個自由度的測試。由于不同類型導彈的長度、質量及直徑的不同,在進行轉臺硬件設計時,需要考慮其通用性。

    通用測試轉臺的升降裝置由多級剪叉式機構構成,利用雙液壓缸進行驅動,升降高度范圍為1.2~3 m,可適應不同類型導彈垂直方向的高度要求。水平裝置由伺服電機、蝸輪蝸桿結構、轉盤軸承構成,通過控制伺服電機接收來自測控系統的指令,帶動蝸輪蝸桿進行工作,蝸輪蝸桿經小齒輪將力矩傳遞至回轉支撐裝置(轉盤軸承)的大齒輪上,回轉支撐在大齒輪的帶動下,驅動水平回轉工作臺進行回轉動作。滾轉裝置由伺服電機和專用齒輪構成,專用齒輪可進行靈活調節以適應不同直徑的導彈進行滾轉。通用測試轉臺系統框圖如圖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控各軸運行情況以及當前所處位置。

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2 轉臺系統軟件設計

    依據整個設備控制時的3層結構設計,系統實現時的軟件結構如圖2所示。

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    由圖2可以看出,整個軟件設計時分四大部分:上層應用軟件、實驗運動驅動、TRIO底層電機驅動、PLC手動控制。其中TRIO底層電機驅動軟件直接與各電機驅動器進行連接,實現電機的直接控制,該部分性能的好壞直接決定了通用測試轉臺的性能。實驗運動驅動部分針對多種類型導彈實際應用需求,開發通用的接口程序。為方便操作人員的使用,轉臺還加入了手動操作功能,實現該操作功能的是PLC手動控制程序。該程序接收來自現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底層電機驅動軟件,底層電機驅動軟件根據收到的相應操作指令,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,開展相應的實驗工作。DLL庫文件接收上層應用軟件的指令,并實時經網線傳遞給TRIO底層電機驅動軟件,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。

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3 系統建模及控制器設計

3.1 系統搭建

    影響通用測試轉臺控制系統的因數有很多,本文著重研究變負載對轉臺控制系統的影響。當負載發生改變時,對轉臺3個自由度運動影響最大的是轉臺的水平回轉運動,所以研究轉臺水平回轉控制系統尤為重要。首先需要對控制系統進行建模分析,以便能夠更加準確深入地了解變負載對水平回轉控制系統的影響。

    轉臺水平回轉控制系統對象是電機,其數學模型如圖4所示。

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    以電樞電壓U(s)為輸入變量,以專用齒輪轉速n2(s)為輸出變量,其傳遞函數為:

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    由式(4)可知,系統總的轉動慣量對傳遞函數有很大影響。在進行不同類型彈體測試時,彈體質量不同,造成系統慣量不同。針對慣量不斷變化的控制系統,普通PID控制無法實現快速穩定的調節,因此需要一種能夠針對不同慣量實現PID自整定的控制方法。本文提出了一種模糊自適應PID控制,以誤差e和誤差變化率ec作為輸入,利用模糊規則在線對PID參數進行修正以滿足不同負載下的e和ec對PID參數自整定的需求,從而消除由負載變化所引起的系統振蕩,并提高系統響應速度。

3.2 模糊PID控制策略介紹及控制器設計

    模糊PID控制器由兩個部分組成:傳統PID控制器和模糊化模塊。PID模糊控制的首要任務是找出PID的3個參數與位置誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關系,在運行中不斷檢測e和ec,根據確定的模糊控制規則來對3個參數進行在線調整,滿足不同e和ec時對3個參數的不同要求。控制器結構圖如圖5所示。

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    其控制器表達式為:

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4 系統仿真分析

    為驗證模糊自適應PID控制可以更好地適應不同負載下控制系統快速穩定的調節,根據前面所建立的系統模型,在MATLAB中構建SIMULINK仿真,圖6為系統仿真模型。圖7為不同負載下傳統PID控制和模糊自適應PID控制的控制效果對比圖。

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    由圖7可知,在不同負載條件下,兩種控制方式的響應速度不同,傳統PID控制的響應時間總是高于模糊自適應PID控制。在負載為1 t時,傳統PID控制的系統響應時間比模糊自適應PID控制高0.273 s;負載為2 t時,傳統PID控制的系統響應時間比模糊自適應PID控制高多0.284 s;負載為3 t時,傳統PID控制的系統響應時間比模糊自適應PID控制高0.385 s。經分析可知,相對于傳統PID控制,模糊自適應PID控制在變負載情況下可迅速做出調整以適應當前負載,保證系統響盡可能小地受負載的影響。

5 結論

    本文所設計的通用測試轉臺可以對多種類型導彈進行測試,有效降低了專用轉臺的研制費用及研制周期,同時提高了測試設備的適應性、靈活性和可拓展性。通過對比傳統PID控制和模糊自適應PID控制可知,在變負載的情況下,模糊自適應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,快速調整系統PID參數,使系統的響應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能力,從而保證系統快速穩定地運行。

參考文獻

[1] 王小艷.基于多種總線的測量綜合控制器測試臺的研究與實現[D].太原:中北大學,2009.

[2] 馬敏.并行多任務自動測試系統分層化建模及其關鍵技術研究[D].成都:電子科技大學,2008.

[3] 鄒逢興.計算機硬件技術及應用基礎[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

[4] 任工昌,吳夢珂,朱愛斌,等.帶單節拖車的機器人控制系統的設計與實現[J].電子技術應用,2018,44(11):41-44,49.

[5] 王海涌,張為瑋,王衛.多軸運動控制器在轉臺控制系統中的應用[J].電子技術應用,2010,36(3):97-99.

[6] 鐘志華.一種通用雷達自動化測試設備的研究及其應用[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2011.

[7] 趙輝.基于內??刂圃淼腜ID控制器設計[D].天津:天津大學,2005.

[8] 陸偉男,蔡啟仲,李剛,等.基于四軸飛行器的雙閉環PID控制[J].科學技術與工程,2014,14(33):127-131.

[9] 管萍,和志偉,戈新生.高超聲速飛行器的神經網絡PID控制[J].航天控制,2018,36(1):8-13.

[10] 李航,王耀力.四旋翼飛行器中PID控制的優化[J].電子技術應用,2017,43(2):73-76.

[11] LOPEZMARTINEZ M,ORTEGA M,VIVAS C,et al.Nonlinear L 2 control of a laboratory helicopter with variable speed rotors[J].Automatica,2007,43(4):655-661.

[12] 佟紹成,王濤,王艷平,等.模糊控制系統的設計及穩定性分析[M].北京:科學出版社,2004.

[13] 張濤.基于模糊PID控制算法的輸彈機優化設計[D].太原:中北大學,2017.

[14] 馬曉爽,石征錦.一種改進Fuzzy-PID技術的飛行器姿態控制系統設計[J].電子技術應用,2016,42(10):21-23,28.

[15] Liu Xiaodong,Zhang Qingling.New approaches to H ∞ controller designs based on fuzzy observers for T-S fuzzy systems via LMI[J].Automatica,2003,39(9):1571-1582.

[16] 赫建立,朱龍英,成磊,等.串聯機器人軌跡跟蹤控制模糊自適應PID算法的誤差修正[J].電子技術應用,2015,41(1):60-63,67.

[17] MEZA A G,CORTES T H,LOPEZ A V C,et al.Analysis of fuzzy observability property for a class of TS fuzzy models[J].IEEE Latin America Transactions,2017,15(4):595-602.

[18] 霍建楠,王自強.基于神經網絡的擺動電機的模糊PID控制[J].電子設計工程,2018,26(12):129-133.

[19] WU H N,WANG J W,LI H X.Design of distributed H∞ fuzzy controllers with constraint for nonlinear hyper-bolic PDE systems[M].Pergamon Press,Inc.2012.

[20] 冉華軍,李健,牟書丹.基于模糊自適應PID控制的直流電機調速系統[J].通信電源技術,2017,34(1):23-25.



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 機械工程學院,山西 太原030051;2.華北計算機系統工程研究所,北京100083)

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