位置随动控制系统

引言
位置随动控制系统由机械台体和计算机控制系统两个重要部分组成,前者是实现仿真功能的基础,而后者是保证转台系统功能和性能的核心部分.转台既要满足一定的动态、静态指标要求,也要为试验提供方便的操作界面和数据采集、处理手段,计算机控制系统不仅要具有实时控制功能,而且应具备监控管理功能,因此,计算机控制系统设计就成为仿真转台设计和工程实现的重要内容。
当前在各种控制系统中计算机已得到非常广泛的应用,根据不同的情况,控制系统的结构形式各不相同,一般分为操作指示系统、直接数字控制系统(DDC)和集散控制系统( DCS)等类型,在下文中将讨论集散控制结构形式的计算机控制系统的设计问题,其中主要包括结构设计、系统工程实现中的接口线路设计、采样频率选择、程序设计等内容,并给出设计结果。
1结构设计
本仿真转台采用多机集散控制形式,即采用上下位机的两级式结构,图1为集散控制系统应用于本转台的原理框图。

图1原理框图
在该控制系统中,上位机主要接收来自船惯导平台的船的姿态信号,通过RS232串行接口与下位机通讯,作为该随动控制系统的输入信号,上位机还完成管理功能,为操作者提供人机接口.下位机完成控制功能,当它接受到上位机的输入信号后,通过PCI-8136运动控制卡的脉冲输人(PI)读取位置信号进行PID运算,通过PCI-8136运动控制卡的D/A发出±10V控制电压,伺服放大器把±10V的速度控制信号放大,输出直流电压来控制直流力矩电机的转速,从而实现位置随动控制,采用上下位机结构,管理计算机和控制计算机相分离,上位机可以有更充裕的时间完成数据采集、存储、分析、图形显示等功能.上位机使用Windows操作系统,用Labview做图形界面,能够快速完成数据采集、存储、分析和图形显示等功能使操作者能直观地看到转台的运转情况,进行数据分析,下位机的工作集中在实现转台的实时控制任务采用DOS操作系统,主要完成控制率计算、控制量输出、位置反馈量的输入,构成转台的数字式位置/速率控制系统。
采用上下位两级分布的结构使系统的管理功能和实时控制功能由两台计算机分担,非常有利于系统的控制和管理,上下位机之间采用RS232串行接口进行通讯。下面对本转台控制系统实现中的一些问题进行讨论,并给出设计结果。
2系统实现
确定了转台计算机控制系统的结构之后,再进行软硬件设计。
2.1硬件设计
2.1.1 接口线路设计
上下位机之间采用RS232串行通讯接口实现信息传递,传输速率为19200kbps,下位机和被控对象之间是通过PCI总线与PCI-8136运动控制卡连接的,PCI-8136运动控制卡集成了16位精度的A/D、D/A.2500v光电隔离的DI,DO及编码器脉冲输入PI功能,PI读取编码器的A +、A-、B+、B-、Z+、Z-六路信号,得到位置信号的零脉冲信号,下位机通过A/D采集测速机的速度信号,通过编码器脉冲输入端口读取来自编码器的位置信号,进行PID运算后通过D/A输出±10的控制电压给伺服放大器,伺服放大器进行放大和转换后输出直流电压给直流力矩电机,控制电机的转速,从而实现位置/速率控制。
2.1.2 电机、伺服放大器及采样频率的选取
1)电机
伺服系统设计需从选择电机开始,作为伺服系统的执行元件,应能方便地实现连续平滑地对控制信号反应快捷,以保证整个系统带动被控对象按所需要的规律运动,执行电机是伺服系统中的一个重要组成部分,同时又靠它驱动被控对象,因此它是伺服系统与被控对象相联系的一个关键部件,被控对象的运动是与执行电机的运动同时进行的,执行电机除了要克服被控对象所形成的负载外,还必须克服电机自身的干摩擦力矩、电机转子的惯性转矩(电机转子转动惯量和电机转动角加速度),普通的伺服电机通常转速高而转矩小,在系统中作为执行元件去拖动负载时,都必须经过齿轮减速装置,但由于齿隙的影响,往往使系统的精度和稳定性下降,因此为了减小甚至消除误差,简化系统结构,提高精度和稳定性,达到少用不用减速器的目的,需选用具有低转速、大转矩和高精度等特点的力矩电机。
位置随动系统的主要作用是跟随舰在海上航行的姿态,由于海上浪大风大,而大船在风和海浪的影响下,其摇摆周期约为5-25s,频率为0.04-0.2Hz,故船的摇摆速度很慢,这就要求电机在低速状态下能输出较大的力矩,而直流力矩电机是特种电机,可由直流电压调节转速,其负载特性(M-I)具有很高的线性度,其转矩特性是一条直线,在位置控制方式的何服系统中,可在低速状态下工作,并能输出较大的力矩,尤其在平稳低速运行时更为突出,因此选用低转速、大力矩的直流力矩电机作为执行电机,以提高系统精度和稳定性.
2)伺服放大器
选用直流力矩电机,伺服放大器也相应地选用直流伺服放大器,直流伺服放大器把来自下位机的±10V速度控制信号放大,输出直流电压来控制直流力矩电机的转速,直流力矩电机和直流伺服放大器是相成直流伺服系统的主要部件。
作为伺服系统的一个重要部件,伺服放大器需具有一定的带宽,以快速跟踪舰的摇摆,由于舰的播摆频率为0.04-0.2Hz,在选用伺服放大器时,其频率范围应高于跟踪信号最高频率,以确保放大器有大的加速度,在短时间内输出大电压大电流,快速跟踪舰的摇摆,以提高系统的动态精度,另外在选取伺服放大器时,伺服放大器的額定电流要大于直流力矩电机的蜂值堵转电流,且应留有一定的安全裕量。
3)采样频率
位置随动控制系统的控制器是由下位机实现的,构成数字式角位置/角速率伺服系统,在确定采样频率时,需要考虑系统的动态要求。
位置随动转台的主要作用是跟随舰在海上航行的姿态,对其动态跟踪精度要求较高,在±9角分范围内,对这种动态精度要求很高的转台,必须选择较高的采样频率,以满足系统的性能指标要求.目前这类转台角位置伺服系统的采样周期多取1ms,在本试验样机中,由于考虑到机械间隙对精度的影响,采样周期取为0.8ms。
2.2 程序设计
程序设计包括上位机程序设计和下位机程序设计两部分。
上位机程序应包括以下几部分的内容:
1)向下位机发送自检命令,接受自检信息,并在检测到故障信息时进行故障处理
2)设置转台的工作状态和工作参数
3)通讯功能,即接受来自舰上惯导平台的舰的姿态角信号,向下位机发送给定信号,并接受下位机的返回信息
4)数据采集和处理功能
5)图形显示功能
上位机的程序流程图如图2所示,采用Labview可视化语言编程,以模板/按钮与弹出式窗口相结合的形式为操作人员提供操作界面。

图2上位机程序流程图
下位机的主要功能是根据上位机的命令完成对转台各种运动状态的实时控制,其程序框图如图3所示,其中各子程序的功能分别为:初始化子程序对PCI-8136运动控制卡进行初始化,包括初始化A/D和D/A的电压范围,以及增量式编码器脉冲输入(PI)方式等;自检子程序在初始化之后检测系统是否正常;工作方式管理子程序完成对转台各工作状态的管理和调度;通讯处理子程序负责接受上位机的给定信号和向上位机发送转台的控制信息等。

图3下位机程序流程图
对转台伺服系统的实时控制在中断服务程序中完成,每0.8ms发出一次控制指令,每20ms向上位机发送一次转台状态信息,其流程图如图4所示。

图4实时控制流程图
3调试
位置随动系统试验样函调试包括速度环和位置环的调试,先调节正在联网识并翻译,调节好后,再调节位置环。
3.1 速度环调节
在位置环断开的前提下,首先进行零漂调节,即给伺服放大器的速度给定电压为0V,电机的转速为零,无零漂,测速机反馈电压为零,然后进行速度标定,在速度给定电压为0V时,电机转速为零,而在给定电压为10V或-10V时,电机达到额定转速或被控对象的最大转速最后进行速度环增益调节,用信号发生器给伺服放大器的速度给定端输入±2V的方波信号,频率为1-2HZ(频率要高于被控对象的频率),再用示波器显示测速机反馈信号,反馈曲线为阶跃响应曲线,通过调节伺服放大器的速度环增益,使阶跃响应曲线达到最佳.一般超调量为15%左右,要小于20%。
3.2位置环调节
接通位置环,通过PCI-8136运动控制卡的D/A段输出控制电压,而从PI端读取编码器测得的被控对象的位置信息,通过下位机与上位机之间的通讯,从上位机的图形显示和数据分析结果,可以了解系统的跟踪状态,分析误差产生的原因,调节位置环的PID参数,提高系统的跟踪精度.从上位机的图形显示发现,系统跟踪有明显的滞后,误差主要是由滞后引起的,需要增加速度前馈校正环节,通过调节速度前馈系数,减小跟踪误差。
通过分析,编码器的分辨率及机械结构的间隙对跟踪精度有一定的影响,对高精度的位置随动系统,机械间隙一定要尽可能小,而且编码器的分辨率要高,最后,在现有编码器分辨率低且存在机械间隙的情况下,系统的跟踪误差<=5角分,满足动态指标要求,如果提高编码器的分辨率和减小机械间隙,系统精度可以得到进一步提高。
5结束语
本文对位置随动控制系统的主要设计问题进行了讨论,对具体工程实现中的若干关键问题作了深入研究,所设计的位置随动控制系统成功应用于位置随动试验样机,达到了指标要求。