位置隨動控制系統(tǒng)

引言
位置隨動控制系統(tǒng)由機(jī)械臺體和計算機(jī)控制系統(tǒng)兩個重要部分組成,前者是實現(xiàn)仿真功能的基礎(chǔ),而后者是保證轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)功能和性能的核心部分.轉(zhuǎn)臺既要滿足一定的動態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)要求,也要為試驗提供方便的操作界面和數(shù)據(jù)采集、處理手段,計算機(jī)控制系統(tǒng)不僅要具有實時控制功能,而且應(yīng)具備監(jiān)控管理功能,因此,計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計就成為仿真轉(zhuǎn)臺設(shè)計和工程實現(xiàn)的重要內(nèi)容。
當(dāng)前在各種控制系統(tǒng)中計算機(jī)已得到非常廣泛的應(yīng)用,根據(jù)不同的情況,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式各不相同,一般分為操作指示系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)和集散控制系統(tǒng)( DCS)等類型,在下文中將討論集散控制結(jié)構(gòu)形式的計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計問題,其中主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)工程實現(xiàn)中的接口線路設(shè)計、采樣頻率選擇、程序設(shè)計等內(nèi)容,并給出設(shè)計結(jié)果。
1結(jié)構(gòu)設(shè)計
本仿真轉(zhuǎn)臺采用多機(jī)集散控制形式,即采用上下位機(jī)的兩級式結(jié)構(gòu),圖1為集散控制系統(tǒng)應(yīng)用于本轉(zhuǎn)臺的原理框圖。

圖1原理框圖
在該控制系統(tǒng)中,上位機(jī)主要接收來自船慣導(dǎo)平臺的船的姿態(tài)信號,通過RS232串行接口與下位機(jī)通訊,作為該隨動控制系統(tǒng)的輸入信號,上位機(jī)還完成管理功能,為操作者提供人機(jī)接口.下位機(jī)完成控制功能,當(dāng)它接受到上位機(jī)的輸入信號后,通過PCI-8136運(yùn)動控制卡的脈沖輸人(PI)讀取位置信號進(jìn)行PID運(yùn)算,通過PCI-8136運(yùn)動控制卡的D/A發(fā)出±10V控制電壓,伺服放大器把±10V的速度控制信號放大,輸出直流電壓來控制直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而實現(xiàn)位置隨動控制,采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu),管理計算機(jī)和控制計算機(jī)相分離,上位機(jī)可以有更充裕的時間完成數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、圖形顯示等功能.上位機(jī)使用Windows操作系統(tǒng),用Labview做圖形界面,能夠快速完成數(shù)據(jù)采集、存儲、分析和圖形顯示等功能使操作者能直觀地看到轉(zhuǎn)臺的運(yùn)轉(zhuǎn)情況,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,下位機(jī)的工作集中在實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的實時控制任務(wù)采用DOS操作系統(tǒng),主要完成控制率計算、控制量輸出、位置反饋量的輸入,構(gòu)成轉(zhuǎn)臺的數(shù)字式位置/速率控制系統(tǒng)。
采用上下位兩級分布的結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)的管理功能和實時控制功能由兩臺計算機(jī)分擔(dān),非常有利于系統(tǒng)的控制和管理,上下位機(jī)之間采用RS232串行接口進(jìn)行通訊。下面對本轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)實現(xiàn)中的一些問題進(jìn)行討論,并給出設(shè)計結(jié)果。
2系統(tǒng)實現(xiàn)
確定了轉(zhuǎn)臺計算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)之后,再進(jìn)行軟硬件設(shè)計。
2.1硬件設(shè)計
2.1.1 接口線路設(shè)計
上下位機(jī)之間采用RS232串行通訊接口實現(xiàn)信息傳遞,傳輸速率為19200kbps,下位機(jī)和被控對象之間是通過PCI總線與PCI-8136運(yùn)動控制卡連接的,PCI-8136運(yùn)動控制卡集成了16位精度的A/D、D/A.2500v光電隔離的DI,DO及編碼器脈沖輸入PI功能,PI讀取編碼器的A +、A-、B+、B-、Z+、Z-六路信號,得到位置信號的零脈沖信號,下位機(jī)通過A/D采集測速機(jī)的速度信號,通過編碼器脈沖輸入端口讀取來自編碼器的位置信號,進(jìn)行PID運(yùn)算后通過D/A輸出±10的控制電壓給伺服放大器,伺服放大器進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換后輸出直流電壓給直流力矩電機(jī),控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而實現(xiàn)位置/速率控制。
2.1.2 電機(jī)、伺服放大器及采樣頻率的選取
1)電機(jī)
伺服系統(tǒng)設(shè)計需從選擇電機(jī)開始,作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件,應(yīng)能方便地實現(xiàn)連續(xù)平滑地對控制信號反應(yīng)快捷,以保證整個系統(tǒng)帶動被控對象按所需要的規(guī)律運(yùn)動,執(zhí)行電機(jī)是伺服系統(tǒng)中的一個重要組成部分,同時又靠它驅(qū)動被控對象,因此它是伺服系統(tǒng)與被控對象相聯(lián)系的一個關(guān)鍵部件,被控對象的運(yùn)動是與執(zhí)行電機(jī)的運(yùn)動同時進(jìn)行的,執(zhí)行電機(jī)除了要克服被控對象所形成的負(fù)載外,還必須克服電機(jī)自身的干摩擦力矩、電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性轉(zhuǎn)矩(電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量和電機(jī)轉(zhuǎn)動角加速度),普通的伺服電機(jī)通常轉(zhuǎn)速高而轉(zhuǎn)矩小,在系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件去拖動負(fù)載時,都必須經(jīng)過齒輪減速裝置,但由于齒隙的影響,往往使系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性下降,因此為了減小甚至消除誤差,簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高精度和穩(wěn)定性,達(dá)到少用不用減速器的目的,需選用具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩和高精度等特點的力矩電機(jī)。
位置隨動系統(tǒng)的主要作用是跟隨艦在海上航行的姿態(tài),由于海上浪大風(fēng)大,而大船在風(fēng)和海浪的影響下,其搖擺周期約為5-25s,頻率為0.04-0.2Hz,故船的搖擺速度很慢,這就要求電機(jī)在低速狀態(tài)下能輸出較大的力矩,而直流力矩電機(jī)是特種電機(jī),可由直流電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,其負(fù)載特性(M-I)具有很高的線性度,其轉(zhuǎn)矩特性是一條直線,在位置控制方式的何服系統(tǒng)中,可在低速狀態(tài)下工作,并能輸出較大的力矩,尤其在平穩(wěn)低速運(yùn)行時更為突出,因此選用低轉(zhuǎn)速、大力矩的直流力矩電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī),以提高系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性.
2)伺服放大器
選用直流力矩電機(jī),伺服放大器也相應(yīng)地選用直流伺服放大器,直流伺服放大器把來自下位機(jī)的±10V速度控制信號放大,輸出直流電壓來控制直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速,直流力矩電機(jī)和直流伺服放大器是相成直流伺服系統(tǒng)的主要部件。
作為伺服系統(tǒng)的一個重要部件,伺服放大器需具有一定的帶寬,以快速跟蹤艦的搖擺,由于艦的播擺頻率為0.04-0.2Hz,在選用伺服放大器時,其頻率范圍應(yīng)高于跟蹤信號最高頻率,以確保放大器有大的加速度,在短時間內(nèi)輸出大電壓大電流,快速跟蹤艦的搖擺,以提高系統(tǒng)的動態(tài)精度,另外在選取伺服放大器時,伺服放大器的額定電流要大于直流力矩電機(jī)的蜂值堵轉(zhuǎn)電流,且應(yīng)留有一定的安全裕量。
3)采樣頻率
位置隨動控制系統(tǒng)的控制器是由下位機(jī)實現(xiàn)的,構(gòu)成數(shù)字式角位置/角速率伺服系統(tǒng),在確定采樣頻率時,需要考慮系統(tǒng)的動態(tài)要求。
位置隨動轉(zhuǎn)臺的主要作用是跟隨艦在海上航行的姿態(tài),對其動態(tài)跟蹤精度要求較高,在±9角分范圍內(nèi),對這種動態(tài)精度要求很高的轉(zhuǎn)臺,必須選擇較高的采樣頻率,以滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求.目前這類轉(zhuǎn)臺角位置伺服系統(tǒng)的采樣周期多取1ms,在本試驗樣機(jī)中,由于考慮到機(jī)械間隙對精度的影響,采樣周期取為0.8ms。
2.2 程序設(shè)計
程序設(shè)計包括上位機(jī)程序設(shè)計和下位機(jī)程序設(shè)計兩部分。
上位機(jī)程序應(yīng)包括以下幾部分的內(nèi)容:
1)向下位機(jī)發(fā)送自檢命令,接受自檢信息,并在檢測到故障信息時進(jìn)行故障處理
2)設(shè)置轉(zhuǎn)臺的工作狀態(tài)和工作參數(shù)
3)通訊功能,即接受來自艦上慣導(dǎo)平臺的艦的姿態(tài)角信號,向下位機(jī)發(fā)送給定信號,并接受下位機(jī)的返回信息
4)數(shù)據(jù)采集和處理功能
5)圖形顯示功能
上位機(jī)的程序流程圖如圖2所示,采用Labview可視化語言編程,以模板/按鈕與彈出式窗口相結(jié)合的形式為操作人員提供操作界面。

圖2上位機(jī)程序流程圖
下位機(jī)的主要功能是根據(jù)上位機(jī)的命令完成對轉(zhuǎn)臺各種運(yùn)動狀態(tài)的實時控制,其程序框圖如圖3所示,其中各子程序的功能分別為:初始化子程序?qū)CI-8136運(yùn)動控制卡進(jìn)行初始化,包括初始化A/D和D/A的電壓范圍,以及增量式編碼器脈沖輸入(PI)方式等;自檢子程序在初始化之后檢測系統(tǒng)是否正常;工作方式管理子程序完成對轉(zhuǎn)臺各工作狀態(tài)的管理和調(diào)度;通訊處理子程序負(fù)責(zé)接受上位機(jī)的給定信號和向上位機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)臺的控制信息等。

圖3下位機(jī)程序流程圖
對轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)的實時控制在中斷服務(wù)程序中完成,每0.8ms發(fā)出一次控制指令,每20ms向上位機(jī)發(fā)送一次轉(zhuǎn)臺狀態(tài)信息,其流程圖如圖4所示。

圖4實時控制流程圖
3調(diào)試
位置隨動系統(tǒng)試驗樣函調(diào)試包括速度環(huán)和位置環(huán)的調(diào)試,先調(diào)節(jié)正在聯(lián)網(wǎng)識并翻譯,調(diào)節(jié)好后,再調(diào)節(jié)位置環(huán)。
3.1 速度環(huán)調(diào)節(jié)
在位置環(huán)斷開的前提下,首先進(jìn)行零漂調(diào)節(jié),即給伺服放大器的速度給定電壓為0V,電機(jī)的轉(zhuǎn)速為零,無零漂,測速機(jī)反饋電壓為零,然后進(jìn)行速度標(biāo)定,在速度給定電壓為0V時,電機(jī)轉(zhuǎn)速為零,而在給定電壓為10V或-10V時,電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速或被控對象的最大轉(zhuǎn)速最后進(jìn)行速度環(huán)增益調(diào)節(jié),用信號發(fā)生器給伺服放大器的速度給定端輸入±2V的方波信號,頻率為1-2HZ(頻率要高于被控對象的頻率),再用示波器顯示測速機(jī)反饋信號,反饋曲線為階躍響應(yīng)曲線,通過調(diào)節(jié)伺服放大器的速度環(huán)增益,使階躍響應(yīng)曲線達(dá)到最佳.一般超調(diào)量為15%左右,要小于20%。
3.2位置環(huán)調(diào)節(jié)
接通位置環(huán),通過PCI-8136運(yùn)動控制卡的D/A段輸出控制電壓,而從PI端讀取編碼器測得的被控對象的位置信息,通過下位機(jī)與上位機(jī)之間的通訊,從上位機(jī)的圖形顯示和數(shù)據(jù)分析結(jié)果,可以了解系統(tǒng)的跟蹤狀態(tài),分析誤差產(chǎn)生的原因,調(diào)節(jié)位置環(huán)的PID參數(shù),提高系統(tǒng)的跟蹤精度.從上位機(jī)的圖形顯示發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)跟蹤有明顯的滯后,誤差主要是由滯后引起的,需要增加速度前饋校正環(huán)節(jié),通過調(diào)節(jié)速度前饋系數(shù),減小跟蹤誤差。
通過分析,編碼器的分辨率及機(jī)械結(jié)構(gòu)的間隙對跟蹤精度有一定的影響,對高精度的位置隨動系統(tǒng),機(jī)械間隙一定要盡可能小,而且編碼器的分辨率要高,最后,在現(xiàn)有編碼器分辨率低且存在機(jī)械間隙的情況下,系統(tǒng)的跟蹤誤差<=5角分,滿足動態(tài)指標(biāo)要求,如果提高編碼器的分辨率和減小機(jī)械間隙,系統(tǒng)精度可以得到進(jìn)一步提高。
5結(jié)束語
本文對位置隨動控制系統(tǒng)的主要設(shè)計問題進(jìn)行了討論,對具體工程實現(xiàn)中的若干關(guān)鍵問題作了深入研究,所設(shè)計的位置隨動控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于位置隨動試驗樣機(jī),達(dá)到了指標(biāo)要求。