阐述控制系统风扰模拟力加载器制约体系设计设计
最后更新时间：2024-03-04
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论文导读：
作者简介：任雅广（1969—），男，江苏沭阳人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：船舶机电管理及控制；王校锋（1979—），男，浙江绍兴人，工程师，硕士研究生，研究方向：船舶机电管理及控制（E-mail：yyt_hehe169@16
关键词：力加载；风扰模拟；PID控制；粒子群算法
：A
1引言地面半实物仿真是控制系统研制过程中的重要步骤，是验证控制系统性能和关键环节。力加载器是一种在实验室环境下模拟被控系统的负荷或扰动的物理效应设备。在飞行器研制过程中，为了在地面上模拟飞行器实际飞行时的舵面铰链力矩，通常设计力矩模拟器[1-5]。另外在风力发电、舰载设备等室外装置的研制中，为了模拟自然界的风扰动，也需要研制设计能够模拟自然界风扰的力加载系统[6，7]。
力矩加载器和力加载器都数据负载模拟器的范畴。常见的负载模拟器有电液负载模拟器、电动负载模拟器、气动负载模拟器等类型。其中电动负载模拟器具有体积小、成本低、结构简单等优点，而被广泛研究使用。
承载对象的运动对于力加载器而言，是一种严重的外部干扰，会产生的多余的控制力，因此多余力抑制问题一直是力加载器研制中的难点[8，9]。本文针对一款电动力加载器进行了控制系统设计，包括控制系统的硬件组成，控制策略和控制律设计，以及多余力消除方法和控制参数优化等问题的研究。
2力加载器系统构成
力加载器由电动作动装置和控制系统组成。电动作动装置由电机、减速箱、齿轮传动付、滚珠丝杆、直线电位器和推拉力传感器等六部分构成，其结构如图1所示。电机产生拖动动力，采用减速齿轮和滚珠丝杆转换成线性位移，可实现输出杆的直线运动，通过球形轴头与被加载体连接，加载力沿丝杆轴线输出。电动作动装置以硬铝材料为外壳，在保证足够的强度和刚度的同时，具有较轻的重量。整个装置采用二点装夹方式固定在基座上，具有良好的稳定性。
力加载器的控制系统由数字控制器、上位计算机、传感器等部件组成，组织结构如图2所示。
采用高精度直线电位器作为位移反馈，以推拉力传感器为力反馈装置，并通过串行接口从上位机获得被承载对象的运动信号，通过控制计算机系统以数字控制方式实现加载力的精确控制。
在该力加载器的设计中，控制计算机采用以TMS320F28335芯片为核心的嵌入式控制器。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，18路的PWM输出， 12位16通道ADC，2通道CAN 2.0B总线接口，3路带有16级FIFO的全双工异步串口等配置，能够满足力加载器的控制需求。
根据力加载器的最大加载力和最大速度的要求，选用直流力矩电机为拖动装置，采用PWM功率伺服放大器实现加载力及其运动的控制。最大加载力与拖动电机的功率是最大角加速度、最大角速度、动态指标等能否实现的关键，同时也影响到结构设计，因此电机选择是力加载器设计中的重点内容。直流力矩电机的特点是可堵转输出，力矩大，空载转速高，具有一定的过载能力，扭矩重量比大，还具有反应速度快、外特性线性度好、谐振频率高等优点，从而能满足力加载器的加载力和动态精度的要求。力加载器输出功率计算公式为：
式中，W为输出功率，F为加载力，V为最大速度。已知最大加载力为1000N，最大移动速度80mm/s，则最大输出功率为80W。考虑滚珠丝杆传动效率为0.85，则：
同时需要考虑到电源电压的波动以及其它不可预见因素，因此电机的拖动功率应不小于90W。在此选择包头电机研究所生产的90LYX-02直流力矩电机，其最大功率为100W，最大空载转速1500rpm，峰值堵转力矩1200mN·m，连续堵转力矩900mN·m，能够满足性能要求。
选用美国COPLEY公司研制的412CE型模拟驱动器作为电机的功率放大装置，该驱动器能够提供10A的持续电流输出和20A的峰值电流输出，电源电论文导读：
压范围24～90V，具有较好的驱动能力和包括输出短路、过/欠压及过温保护的故障保护功能，集成度高且便于使用维护。
3力加载器控制系统
在力加载器的实际使用中，承载对象作主动运动，加载器跟随承载对象运动，同时对承载对象施加力或力矩。因此对于加载器而言，承载对象的运动是一种外部干扰，力加载器的控制器要求能够良好地跟随加载力指令的同时，还能够有效抑制由于承载对象运动而产生的多余力。
式中：E为反向电动势，Ke为反向电动势系数，m为电机转子角速度，Ra为电枢电阻。电机的力矩Tm与电枢电流成正比：
同时，不考虑摩擦负载的电机系统力矩平衡方程为：
式中：bm为电机粘性阻尼系数，
对负载端的微分方程进行分析，由牛顿定理可得
再根据虎克定理可得，负载端的扭矩为：
在力加载器中，通过齿轮传动和滚珠丝杆将电机转子的角运动转换为丝杆的线运动，同时将力矩输出转换为力输出，因此输出力FL为：
作者简介：任雅广（1969—），男，江苏沭阳人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：船舶机电管理及控制；王校锋（1979—），男，浙江绍兴人，工程师，硕士研究生，研究方向：船舶机电管理及控制（E-mail：yyt_hehe169@16
3.com）。
摘要：针对用于风扰模拟的力加载器系统，设计以DSP为核心的数字控制器。在传统的位置伺服控制的基础上，设计力反馈控制回路，同时使用前馈补偿抑制由于承载对象运动而导致的多余力。使用粒子群算法进行控制器参数整定。试验结果表明，该力加载器能够进行有效地进行各种类型的风扰模拟，具有较高的控制精度和响应速度，能够良好的克服多余力干扰。关键词：力加载；风扰模拟；PID控制；粒子群算法
：A
1引言地面半实物仿真是控制系统研制过程中的重要步骤，是验证控制系统性能和关键环节。力加载器是一种在实验室环境下模拟被控系统的负荷或扰动的物理效应设备。在飞行器研制过程中，为了在地面上模拟飞行器实际飞行时的舵面铰链力矩，通常设计力矩模拟器[1-5]。另外在风力发电、舰载设备等室外装置的研制中，为了模拟自然界的风扰动，也需要研制设计能够模拟自然界风扰的力加载系统[6，7]。
力矩加载器和力加载器都数据负载模拟器的范畴。常见的负载模拟器有电液负载模拟器、电动负载模拟器、气动负载模拟器等类型。其中电动负载模拟器具有体积小、成本低、结构简单等优点，而被广泛研究使用。
承载对象的运动对于力加载器而言，是一种严重的外部干扰，会产生的多余的控制力，因此多余力抑制问题一直是力加载器研制中的难点[8，9]。本文针对一款电动力加载器进行了控制系统设计，包括控制系统的硬件组成，控制策略和控制律设计，以及多余力消除方法和控制参数优化等问题的研究。
2力加载器系统构成
力加载器由电动作动装置和控制系统组成。电动作动装置由电机、减速箱、齿轮传动付、滚珠丝杆、直线电位器和推拉力传感器等六部分构成，其结构如图1所示。电机产生拖动动力，采用减速齿轮和滚珠丝杆转换成线性位移，可实现输出杆的直线运动，通过球形轴头与被加载体连接，加载力沿丝杆轴线输出。电动作动装置以硬铝材料为外壳，在保证足够的强度和刚度的同时，具有较轻的重量。整个装置采用二点装夹方式固定在基座上，具有良好的稳定性。
力加载器的控制系统由数字控制器、上位计算机、传感器等部件组成，组织结构如图2所示。
采用高精度直线电位器作为位移反馈，以推拉力传感器为力反馈装置，并通过串行接口从上位机获得被承载对象的运动信号，通过控制计算机系统以数字控制方式实现加载力的精确控制。
在该力加载器的设计中，控制计算机采用以TMS320F28335芯片为核心的嵌入式控制器。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，18路的PWM输出， 12位16通道ADC，2通道CAN 2.0B总线接口，3路带有16级FIFO的全双工异步串口等配置，能够满足力加载器的控制需求。
根据力加载器的最大加载力和最大速度的要求，选用直流力矩电机为拖动装置，采用PWM功率伺服放大器实现加载力及其运动的控制。最大加载力与拖动电机的功率是最大角加速度、最大角速度、动态指标等能否实现的关键，同时也影响到结构设计，因此电机选择是力加载器设计中的重点内容。直流力矩电机的特点是可堵转输出，力矩大，空载转速高，具有一定的过载能力，扭矩重量比大，还具有反应速度快、外特性线性度好、谐振频率高等优点，从而能满足力加载器的加载力和动态精度的要求。力加载器输出功率计算公式为：
式中，W为输出功率，F为加载力，V为最大速度。已知最大加载力为1000N，最大移动速度80mm/s，则最大输出功率为80W。考虑滚珠丝杆传动效率为0.85，则：
同时需要考虑到电源电压的波动以及其它不可预见因素，因此电机的拖动功率应不小于90W。在此选择包头电机研究所生产的90LYX-02直流力矩电机，其最大功率为100W，最大空载转速1500rpm，峰值堵转力矩1200mN·m，连续堵转力矩900mN·m，能够满足性能要求。
选用美国COPLEY公司研制的412CE型模拟驱动器作为电机的功率放大装置，该驱动器能够提供10A的持续电流输出和20A的峰值电流输出，电源电论文导读：
压范围24～90V，具有较好的驱动能力和包括输出短路、过/欠压及过温保护的故障保护功能，集成度高且便于使用维护。
3力加载器控制系统
在力加载器的实际使用中，承载对象作主动运动，加载器跟随承载对象运动，同时对承载对象施加力或力矩。因此对于加载器而言，承载对象的运动是一种外部干扰，力加载器的控制器要求能够良好地跟随加载力指令的同时，还能够有效抑制由于承载对象运动而产生的多余力。
3.1数学建模
对直流电机施加电枢电压Ua后，在电枢回路产生电枢电流Ia，进而与励磁磁场作用产生电磁转矩，拖动电机轴转动，再经过齿轮传动输出线运动，即电机的实质是将输入的电能转化为机械能的过程。直流力矩电机电枢回路的电路方程为：式中：E为反向电动势，Ke为反向电动势系数，m为电机转子角速度，Ra为电枢电阻。电机的力矩Tm与电枢电流成正比：
同时，不考虑摩擦负载的电机系统力矩平衡方程为：
式中：bm为电机粘性阻尼系数，
对负载端的微分方程进行分析，由牛顿定理可得
再根据虎克定理可得，负载端的扭矩为：
在力加载器中，通过齿轮传动和滚珠丝杆将电机转子的角运动转换为丝杆的线运动，同时将力矩输出转换为力输出，因此输出力FL为：