位置隨動控制系統

引言
位置隨動控制系統由機械臺體和計算機控制系統兩個重要部分組成,前者是實現仿真功能的基礎,而后者是保證轉臺系統功能和性能的核心部分.轉臺既要滿足一定的動態、靜態指標要求,也要為試驗提供方便的操作界面和數據采集、處理手段,計算機控制系統不僅要具有實時控制功能,而且應具備監控管理功能,因此,計算機控制系統設計就成為仿真轉臺設計和工程實現的重要內容。
當前在各種控制系統中計算機已得到非常廣泛的應用,根據不同的情況,控制系統的結構形式各不相同,一般分為操作指示系統、直接數字控制系統(DDC)和集散控制系統( DCS)等類型,在下文中將討論集散控制結構形式的計算機控制系統的設計問題,其中主要包括結構設計、系統工程實現中的接口線路設計、采樣頻率選擇、程序設計等內容,并給出設計結果。
1結構設計
本仿真轉臺采用多機集散控制形式,即采用上下位機的兩級式結構,圖1為集散控制系統應用于本轉臺的原理框圖。

圖1原理框圖
在該控制系統中,上位機主要接收來自船慣導平臺的船的姿態信號,通過RS232串行接口與下位機通訊,作為該隨動控制系統的輸入信號,上位機還完成管理功能,為操作者提供人機接口.下位機完成控制功能,當它接受到上位機的輸入信號后,通過PCI-8136運動控制卡的脈沖輸人(PI)讀取位置信號進行PID運算,通過PCI-8136運動控制卡的D/A發出±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的轉速,從而實現位置隨動控制,采用上下位機結構,管理計算機和控制計算機相分離,上位機可以有更充裕的時間完成數據采集、存儲、分析、圖形顯示等功能.上位機使用Windows操作系統,用Labview做圖形界面,能夠快速完成數據采集、存儲、分析和圖形顯示等功能使操作者能直觀地看到轉臺的運轉情況,進行數據分析,下位機的工作集中在實現轉臺的實時控制任務采用DOS操作系統,主要完成控制率計算、控制量輸出、位置反饋量的輸入,構成轉臺的數字式位置/速率控制系統。
采用上下位兩級分布的結構使系統的管理功能和實時控制功能由兩臺計算機分擔,非常有利于系統的控制和管理,上下位機之間采用RS232串行接口進行通訊。下面對本轉臺控制系統實現中的一些問題進行討論,并給出設計結果。
2系統實現
確定了轉臺計算機控制系統的結構之后,再進行軟硬件設計。
2.1硬件設計
2.1.1 接口線路設計
上下位機之間采用RS232串行通訊接口實現信息傳遞,傳輸速率為19200kbps,下位機和被控對象之間是通過PCI總線與PCI-8136運動控制卡連接的,PCI-8136運動控制卡集成了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,下位機通過A/D采集測速機的速度信號,通過編碼器脈沖輸入端口讀取來自編碼器的位置信號,進行PID運算后通過D/A輸出±10的控制電壓給伺服放大器,伺服放大器進行放大和轉換后輸出直流電壓給直流力矩電機,控制電機的轉速,從而實現位置/速率控制。
2.1.2 電機、伺服放大器及采樣頻率的選取
1)電機
伺服系統設計需從選擇電機開始,作為伺服系統的執行元件,應能方便地實現連續平滑地對控制信號反應快捷,以保證整個系統帶動被控對象按所需要的規律運動,執行電機是伺服系統中的一個重要組成部分,同時又靠它驅動被控對象,因此它是伺服系統與被控對象相聯系的一個關鍵部件,被控對象的運動是與執行電機的運動同時進行的,執行電機除了要克服被控對象所形成的負載外,還必須克服電機自身的干摩擦力矩、電機轉子的慣性轉矩(電機轉子轉動慣量和電機轉動角加速度),普通的伺服電機通常轉速高而轉矩小,在系統中作為執行元件去拖動負載時,都必須經過齒輪減速裝置,但由于齒隙的影響,往往使系統的精度和穩定性下降,因此為了減小甚至消除誤差,簡化系統結構,提高精度和穩定性,達到少用不用減速器的目的,需選用具有低轉速、大轉矩和高精度等特點的力矩電機。
位置隨動系統的主要作用是跟隨艦在海上航行的姿態,由于海上浪大風大,而大船在風和海浪的影響下,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,這就要求電機在低速狀態下能輸出較大的力矩,而直流力矩電機是特種電機,可由直流電壓調節轉速,其負載特性(M-I)具有很高的線性度,其轉矩特性是一條直線,在位置控制方式的何服系統中,可在低速狀態下工作,并能輸出較大的力矩,尤其在平穩低速運行時更為突出,因此選用低轉速、大力矩的直流力矩電機作為執行電機,以提高系統精度和穩定性.
2)伺服放大器
選用直流力矩電機,伺服放大器也相應地選用直流伺服放大器,直流伺服放大器把來自下位機的±10V速度控制信號放大,輸出直流電壓來控制直流力矩電機的轉速,直流力矩電機和直流伺服放大器是相成直流伺服系統的主要部件。
作為伺服系統的一個重要部件,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,在短時間內輸出大電壓大電流,快速跟蹤艦的搖擺,以提高系統的動態精度,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的蜂值堵轉電流,且應留有一定的安全裕量。
3)采樣頻率
位置隨動控制系統的控制器是由下位機實現的,構成數字式角位置/角速率伺服系統,在確定采樣頻率時,需要考慮系統的動態要求。
位置隨動轉臺的主要作用是跟隨艦在海上航行的姿態,對其動態跟蹤精度要求較高,在±9角分范圍內,對這種動態精度要求很高的轉臺,必須選擇較高的采樣頻率,以滿足系統的性能指標要求.目前這類轉臺角位置伺服系統的采樣周期多取1ms,在本試驗樣機中,由于考慮到機械間隙對精度的影響,采樣周期取為0.8ms。
2.2 程序設計
程序設計包括上位機程序設計和下位機程序設計兩部分。
上位機程序應包括以下幾部分的內容:
1)向下位機發送自檢命令,接受自檢信息,并在檢測到故障信息時進行故障處理
2)設置轉臺的工作狀態和工作參數
3)通訊功能,即接受來自艦上慣導平臺的艦的姿態角信號,向下位機發送給定信號,并接受下位機的返回信息
4)數據采集和處理功能
5)圖形顯示功能
上位機的程序流程圖如圖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合的形式為操作人員提供操作界面。

圖2上位機程序流程圖
下位機的主要功能是根據上位機的命令完成對轉臺各種運動狀態的實時控制,其程序框圖如圖3所示,其中各子程序的功能分別為:初始化子程序對PCI-8136運動控制卡進行初始化,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是否正常;工作方式管理子程序完成對轉臺各工作狀態的管理和調度;通訊處理子程序負責接受上位機的給定信號和向上位機發送轉臺的控制信息等。

圖3下位機程序流程圖
對轉臺伺服系統的實時控制在中斷服務程序中完成,每0.8ms發出一次控制指令,每20ms向上位機發送一次轉臺狀態信息,其流程圖如圖4所示。

圖4實時控制流程圖
3調試
位置隨動系統試驗樣函調試包括速度環和位置環的調試,先調節正在聯網識并翻譯,調節好后,再調節位置環。
3.1 速度環調節
在位置環斷開的前提下,首先進行零漂調節,即給伺服放大器的速度給定電壓為0V,電機的轉速為零,無零漂,測速機反饋電壓為零,然后進行速度標定,在速度給定電壓為0V時,電機轉速為零,而在給定電壓為10V或-10V時,電機達到額定轉速或被控對象的最大轉速最后進行速度環增益調節,用信號發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反饋信號,反饋曲線為階躍響應曲線,通過調節伺服放大器的速度環增益,使階躍響應曲線達到最佳.一般超調量為15%左右,要小于20%。
3.2位置環調節
接通位置環,通過PCI-8136運動控制卡的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,通過下位機與上位機之間的通訊,從上位機的圖形顯示和數據分析結果,可以了解系統的跟蹤狀態,分析誤差產生的原因,調節位置環的PID參數,提高系統的跟蹤精度.從上位機的圖形顯示發現,系統跟蹤有明顯的滯后,誤差主要是由滯后引起的,需要增加速度前饋校正環節,通過調節速度前饋系數,減小跟蹤誤差。
通過分析,編碼器的分辨率及機械結構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,機械間隙一定要盡可能小,而且編碼器的分辨率要高,最后,在現有編碼器分辨率低且存在機械間隙的情況下,系統的跟蹤誤差<=5角分,滿足動態指標要求,如果提高編碼器的分辨率和減小機械間隙,系統精度可以得到進一步提高。
5結束語
本文對位置隨動控制系統的主要設計問題進行了討論,對具體工程實現中的若干關鍵問題作了深入研究,所設計的位置隨動控制系統成功應用于位置隨動試驗樣機,達到了指標要求。