成为仿真转台的主要性能指标和发展方向高频响.PPT

10.1 双摆实验系统的计算机控制设计与实现 10.2 转台计算机伺服控制系统设计 10.3 民用机场供油集散系统 10.1.1 双摆实验控制系统介绍 1. 双摆实验控制系统组成 2. 双摆实验控制系统性能指标 本实验系统控制的目的是：当滑车在导轨上以一定速度和加速度运动时，应保持双摆的摆动角度最小；或双摆有任一初始摆角时，系统将使双摆迅速返回平衡位置。 为实现上述控制目的，提出如下性能指标要求： (1) 计算机D/A输出100mV时，电机应启动。 (2) 滑车最大运动速度为 0.4m／s，D/A的最大输出对应滑车的最大运行速度。 (3) 当有较大的初始扰动（上摆角初始角度为50o）时，上下摆的摆角到达稳态时间＜5s~6s，摆动次数＜3~4次。 (4) 当滑车从偏离零位处回归零位时，上下摆的摆角到达稳态时间＜5s~6s，摆动次数＜3~4次。 10.1.2 双摆控制系统的整体方案 整个系统结构示意图如图10-2所示，控制系统方块图如图10-3所示。 10.1.3 双摆系统数学建模 利用拉格朗日方程建立双摆系统的动力学方程并进行适当的简化，以得到在小扰动情况下系统的线性化状态方程。 1. 以控制力为输入建立双摆系统的数学模型 ：拖动电机对于滑车的控制力 ：滑车质量 ：上摆关节的质量 ：下摆关节的质量（包括摆锤） ：滑车距参考坐标系原点的横坐标 ：上摆质心距滑车铰链的长度 ：关节铰链距滑车铰链的长度（上摆杆的摆长） ：关节铰链距下摆质心的长度 ：上摆摆动角度 ：下摆摆动角度 ：下摆关节摆动角度，且满足 ：上摆摆杆的转动惯量 ：下摆摆杆的转动惯量 滑车—双摆系统是具有三个自由度的机械系统，其第一个自由度的广义驱动力由力矩电机产生，第二、三个自由度均为摆杆相对于铰链的自由摆动，广义力为零。 作以下的简化： 忽略由速度引起的向心力和哥氏力 （为上摆杆长度）， 可视为下摆杆长度 2. 建立电机加双摆对象的数学模型 直流伺服电机在忽略了感抗的影响以及启动死区电压后，可以视为一个二阶的线性系统。 进行适当的整合，就可得到平衡位置附近处电机加双摆对象的数学模型： 10.1.4 系统回路控制设计 系统的速度环设计 执行电机的死区达到1V，即有 考虑放大器箱的放大倍数，D/A输出电压u满足： 则描述系统的线性化状态方程（10-8）可以改写为 2. 采样周期的选取 根据电机的模型以及电机的相关参数可知，该电机的机电时间常数为： 3. 系统位置环设计（控制律设计） 这里采用无限时间离散二次型的代价函数： 10.1.5 软件设计 10.1.6 闭环控制实验结果 1. 摆角扰动闭环控制（上摆角初始扰动角度50o） 2. 滑车位置回零控制（滑车从-0.3m处回归零位） 10.1 双摆实验系统的计算机控制设计与实现 10.2 转台计算机伺服控制系统设计 10.3 民用机场供油集散系统 10.2 转台计算机伺服控制系统设计 “高频响、超低速、宽调速、高精度”成为仿真转台的主要性能指标和发展方向。 “高频响”反映转台跟踪高频信号的能力强； “超低速”反映系统的低速平稳性好； “宽调速”可提供很宽的调速范围； “高精度”指系统跟踪指令信号的准确程度高。 10.2.1 转台系统介绍 10.2.2 三轴测试转台的总体控制结构 转台三个框架的控制是相互独立的，因此转台的控制系统可以采用如图10-17所示的原理方案。 10.2.3 转台单框的数学模型 10.2.4 转台单框控制回路设计 一般的设计过程是从内向外，依次设计电流环、速度环和位置环，根据系统整体的性能指标，适当分配相应的设计指标，按典型系统设计控制及补偿环节。 1. 电流环设计 电流环负反馈可以充分利用电机所允许的过载能力，同时限制电流的最大值，从而对电机启动或制动器起到快速的保护作用。 设计得到的电流环控制器直接在功放硬件电路中实现。 在电流环的具体设计中，参照仿真模型加入PI控制器，通过具体的实验验证设计结果。 一般要求设计后的电流环回路响应速度快、无超调或超调量很小。 2. 速度环设计 常采用测速发电机作为速度反馈元件，构成模拟式速度反馈系统。 速度环作用： 保证速度回路的稳态精度； 提高速度回路的刚度； 尽可能拉宽速度回路的频带； 对高频段的谐振和未建模动态特性有较大的衰减； 尽可能降低系统对扰动的灵敏度； 减小速度环的死区电压。 速度环设计时应考虑： 应包含一个积分环节，以克服伺服电机的死区和功率放大器漂移所造成的静态误差，保证稳态精度指标，提高系统静态刚度。 将速度环的闭环特性设计为过阻尼，使其主导极点为一对实极点，从而有利于克服摩擦的影响，改善伺服电机低速运行特性。 3. 位置环