论文部分内容阅读
摘要:根据系统性能指标,以8031单片机为控制器,完成了红外目标仿真系统中随动系统设计,给出了系统模型的测试方法,设计了系统的控制器。最后通过实测证明了设计的有效性。
关键词:随动系统仿真系统模型
The Design of a Followup Control System for InfraredTarget Simulation System
WuNing(JinLin Television University)
Abstract:A followup control system controlled by a 8031 single chip computer for infrared target simulation system is designed according to the performance requirement of the system.The design of the controller and the testing method of the system model are described and the effectivity is proven by actual measurement.
Keywords:followup system;simulation;system model
随动系统广泛应用于航空、航天及军事装备中,传统的模拟式随动系统控制精度低,现代的数字式高精度随动系统又对执行元件、检测元件要求过高,提高了系统的造价。我们在红外目标仿真系统中,成功地通过计算机控制,采用中等的执行元件及检测元件,取得了较高的控制品质。
一、系统的技术指标及硬件实现
本系统的输入是上位计算机的角度信号,为数字量。控制对象为转动惯量2 776g·cm·S2的机械装置,要求该装置能够准确、快速地对给定信号进行跟踪,具体要求如下:
输入范围:±15°;最大速度:50°/s,保精度为25°/s;最大加速度:200°/s2;
位置检测精度:<0.05mrad; 超调量:≤30%; 调整时间:≤0.2s跟踪精度:0.3°。
根据上述要求,采用电流、速度、角度三环的控制结构,如图1所示:
数模转换器采用DAC1210,位置检测元件用原西德Heidin公司生产的ROD250型增量式光电编码器,刻线度18000条,伺服功率放大器为自制的以STK465为核心的PWM功率放大器,伺服电机采用美国Inland公司的T-2995型直流力矩电机,速度检测元件采用美国Inland公司生产的TG-2138型测速发电机。
为提高检测精度,对光电编码器的输出进行20细分,达到每转360 000个输出脉冲,采用8031单片机组成数字控制器,同时引入复合控制,使系统的控制精度大大提高。
二、电流环的设计与调试
PWM功率放大器采用不稳压的直流电源。为保证系统性能,在线路上加电流反馈,如图2所示。力矩电机的电流经过两个0.05Ω的精密电阻得电流的反馈信号,经差模放大器反馈到回路输入端。由此可见,功率放大器本身构成了一个电流环,它有下列三个作用:
(1)使功率放大器近似于恒流源,电流与电源电压无关,提高了系统的抗干扰的能力。
(2)电机由电压控制转为电流控制,提高了系统的快速性。
(3)具有保护作用。
已知系统带宽为50 rad/s,根据系统内回路带宽应为外回路带宽5倍以上的原则,初步取电流环带宽400 rad/s,图中无C1、C8、C10时,电流环为一比例环节,即零型系统。由于PWM功率放大器噪声大,应在高频段压低增益。由设定的带宽ωb1为400rad/s知,应在系统中加一极点。由图示,电流环的开环增益
其中Kpmw=3A/V为功放增益,计算得Ki为52.7。
20logKi-20logωb1·T1=0
对应T1=0.136 s,转折频率为ω1=7.35s-1。结合电路图考虑,应在R15处并联一个电容C1=0.618μ获得该时间常数。取标准电容C1为0.61μ。由于PWM功率放大器的噪声大,故在高频处应进一步压低增益,为此在OP07的反馈电阻上并联上二个电容C10、C8,其对应的时间常数为0.00385s。动特性确定后,初步确定速度环的增益值可定R12为20 kΩ。通过以上的设计和调试,电流环具有310s-1的带宽。在这个范围内可作比例环节处理,校正后的电流环开环传递函数为:
三、速度环的设计与测试
测速发电机与电动机的特性可由实验求得,因此,前向校正环节与反馈校正环节都容易
求得,但考虑到负载效应,还是以调试来确定参数为好。图3为速度回路的原理图。
该电路是一个通用的校正环节,其传递函数可由节点电压法求得。
测定了各部件的特性后,将速度回路闭合,以方波作为试验信号,用示波器观察速度环过渡过程。速度反馈具有一定的超调和振荡,通过调整各电位器,获得满意的过渡过程,使上升沿尽可能陡,超调量尽可能小,并尽量消除振荡。
四、开环传函的测试
调整好速度环之后,测定速度环的频率特性。实验表明,BT6频率特性测试仪不够精确,为此采用示波器测量辐频特性,事实表明,测试准确。测试原理是,用双踪示波器的一踪输入测量正弦输入信号,用另一踪输入测量系统测速反馈,得表1数据,表中只列出了0~10Hz的测试数据。频率继续升高,由于非线性、摩擦力等的影响,波形发生畸变,测试结果不准确。
系统的相频特性由李萨如图形法获得,方法是将系统的正弦输入信号和系统的测速输出分别加到x—Y余辉示波器的x和Y输入端,在示波器上得李萨如图形,由李萨如图形可得系统的相位和幅值。
f=5 Φ=-45° ω=31.5 s-1f=9 Φ=-90°ω=57 s-1
将表1中的数据描于半对坐标纸,得系统低频部分的幅频特性,由观察知在低频部分存在惯性环节,其转折频率在-3dB处:
其余高频段的小时间常数由相位来校正。在Φ= -90°处,ω=57 s-1时惯性环节的相位为-68°与实际相差22°,为从而知传递函数为
K为待定系数。为了确定该系数,对测速发电机进行带载测试,方法是对速度环加以一定幅度的方波电压,用计算机从光电编码器上读取系统所运行的范围,从测速发电机输出测量反馈电压。由此得,测速发电机的反馈系数从而,校正前位置环的开环传递函数为
五、位置控制器的设计与调试
由系统的性能指标,在最大速度和最大加速度时,应满足跟踪误差e小于0.3°。由于采用复合控制,达到了完全由经验公式,超调量?滓p=0.16+0.4(Mr-1)及给定超调量?滓p<30%得
在半对数坐纸上绘制出幅频特性
及期望频率特性,求得并联校正环节形式为:
考虑到光电编码器与D/A转换器的转换系数,最后校正环节的放大倍数为9。
六、复合控制的设计与作用
组合使用前馈与反馈称之为复合控制。复合控制能大大加强抵制外界干扰的能力,本文采用文献[1]的方法进行设计,修正后的前馈形式为:
代入相应的参数,τ=1/15 s,Ts=0.004 s,故前馈控制输入为:
Y(i)=16.17{R(i)-R(i-1)}
实验表明,加入复合控制,起到很好的降低误差的作用,在25°/s斜坡信号作用下,加入复合控制之前,最大误差为0.33°,加入复合控制之后,误差为0.06°
七、系统的测试结果
为了测试系统的运行情况,选用典型信号对系统进行测试,以检验系统是否达到设计要求,在本系统中选用了两种典型信号,正弦信号和典型航迹。
1.正弦信号
按给定的最大速度Vm=25°/s,最大加速度εm=50°/s2,构成一个正弦函数R(t)=12.5sin2t
按4 ms采样周期产生此信号,驱动系统运行,用计算机检测该系统的光电编码器的反馈信号,计算跟踪误差应小于0.3°,实测结果小于0.06°。
2.典型航迹信号驱动法
按给定最大速度Vm=25°/s,最大加速度εm=50°/s2构成一个典型航迹,该信号最大加速度与最大速度在同一时刻产生,因而条件苛刻。实测系统误差为0.07°。
参考文献:
李友善,《自动控制原理》,国防工业出版社,1979
关键词:随动系统仿真系统模型
The Design of a Followup Control System for InfraredTarget Simulation System
WuNing(JinLin Television University)
Abstract:A followup control system controlled by a 8031 single chip computer for infrared target simulation system is designed according to the performance requirement of the system.The design of the controller and the testing method of the system model are described and the effectivity is proven by actual measurement.
Keywords:followup system;simulation;system model
随动系统广泛应用于航空、航天及军事装备中,传统的模拟式随动系统控制精度低,现代的数字式高精度随动系统又对执行元件、检测元件要求过高,提高了系统的造价。我们在红外目标仿真系统中,成功地通过计算机控制,采用中等的执行元件及检测元件,取得了较高的控制品质。
一、系统的技术指标及硬件实现
本系统的输入是上位计算机的角度信号,为数字量。控制对象为转动惯量2 776g·cm·S2的机械装置,要求该装置能够准确、快速地对给定信号进行跟踪,具体要求如下:
输入范围:±15°;最大速度:50°/s,保精度为25°/s;最大加速度:200°/s2;
位置检测精度:<0.05mrad; 超调量:≤30%; 调整时间:≤0.2s跟踪精度:0.3°。
根据上述要求,采用电流、速度、角度三环的控制结构,如图1所示:
数模转换器采用DAC1210,位置检测元件用原西德Heidin公司生产的ROD250型增量式光电编码器,刻线度18000条,伺服功率放大器为自制的以STK465为核心的PWM功率放大器,伺服电机采用美国Inland公司的T-2995型直流力矩电机,速度检测元件采用美国Inland公司生产的TG-2138型测速发电机。
为提高检测精度,对光电编码器的输出进行20细分,达到每转360 000个输出脉冲,采用8031单片机组成数字控制器,同时引入复合控制,使系统的控制精度大大提高。
二、电流环的设计与调试
PWM功率放大器采用不稳压的直流电源。为保证系统性能,在线路上加电流反馈,如图2所示。力矩电机的电流经过两个0.05Ω的精密电阻得电流的反馈信号,经差模放大器反馈到回路输入端。由此可见,功率放大器本身构成了一个电流环,它有下列三个作用:
(1)使功率放大器近似于恒流源,电流与电源电压无关,提高了系统的抗干扰的能力。
(2)电机由电压控制转为电流控制,提高了系统的快速性。
(3)具有保护作用。
已知系统带宽为50 rad/s,根据系统内回路带宽应为外回路带宽5倍以上的原则,初步取电流环带宽400 rad/s,图中无C1、C8、C10时,电流环为一比例环节,即零型系统。由于PWM功率放大器噪声大,应在高频段压低增益。由设定的带宽ωb1为400rad/s知,应在系统中加一极点。由图示,电流环的开环增益
其中Kpmw=3A/V为功放增益,计算得Ki为52.7。
20logKi-20logωb1·T1=0
对应T1=0.136 s,转折频率为ω1=7.35s-1。结合电路图考虑,应在R15处并联一个电容C1=0.618μ获得该时间常数。取标准电容C1为0.61μ。由于PWM功率放大器的噪声大,故在高频处应进一步压低增益,为此在OP07的反馈电阻上并联上二个电容C10、C8,其对应的时间常数为0.00385s。动特性确定后,初步确定速度环的增益值可定R12为20 kΩ。通过以上的设计和调试,电流环具有310s-1的带宽。在这个范围内可作比例环节处理,校正后的电流环开环传递函数为:
三、速度环的设计与测试
测速发电机与电动机的特性可由实验求得,因此,前向校正环节与反馈校正环节都容易
求得,但考虑到负载效应,还是以调试来确定参数为好。图3为速度回路的原理图。
该电路是一个通用的校正环节,其传递函数可由节点电压法求得。
测定了各部件的特性后,将速度回路闭合,以方波作为试验信号,用示波器观察速度环过渡过程。速度反馈具有一定的超调和振荡,通过调整各电位器,获得满意的过渡过程,使上升沿尽可能陡,超调量尽可能小,并尽量消除振荡。
四、开环传函的测试
调整好速度环之后,测定速度环的频率特性。实验表明,BT6频率特性测试仪不够精确,为此采用示波器测量辐频特性,事实表明,测试准确。测试原理是,用双踪示波器的一踪输入测量正弦输入信号,用另一踪输入测量系统测速反馈,得表1数据,表中只列出了0~10Hz的测试数据。频率继续升高,由于非线性、摩擦力等的影响,波形发生畸变,测试结果不准确。
系统的相频特性由李萨如图形法获得,方法是将系统的正弦输入信号和系统的测速输出分别加到x—Y余辉示波器的x和Y输入端,在示波器上得李萨如图形,由李萨如图形可得系统的相位和幅值。
f=5 Φ=-45° ω=31.5 s-1f=9 Φ=-90°ω=57 s-1
将表1中的数据描于半对坐标纸,得系统低频部分的幅频特性,由观察知在低频部分存在惯性环节,其转折频率在-3dB处:
其余高频段的小时间常数由相位来校正。在Φ= -90°处,ω=57 s-1时惯性环节的相位为-68°与实际相差22°,为从而知传递函数为
K为待定系数。为了确定该系数,对测速发电机进行带载测试,方法是对速度环加以一定幅度的方波电压,用计算机从光电编码器上读取系统所运行的范围,从测速发电机输出测量反馈电压。由此得,测速发电机的反馈系数从而,校正前位置环的开环传递函数为
五、位置控制器的设计与调试
由系统的性能指标,在最大速度和最大加速度时,应满足跟踪误差e小于0.3°。由于采用复合控制,达到了完全由经验公式,超调量?滓p=0.16+0.4(Mr-1)及给定超调量?滓p<30%得
在半对数坐纸上绘制出幅频特性
及期望频率特性,求得并联校正环节形式为:
考虑到光电编码器与D/A转换器的转换系数,最后校正环节的放大倍数为9。
六、复合控制的设计与作用
组合使用前馈与反馈称之为复合控制。复合控制能大大加强抵制外界干扰的能力,本文采用文献[1]的方法进行设计,修正后的前馈形式为:
代入相应的参数,τ=1/15 s,Ts=0.004 s,故前馈控制输入为:
Y(i)=16.17{R(i)-R(i-1)}
实验表明,加入复合控制,起到很好的降低误差的作用,在25°/s斜坡信号作用下,加入复合控制之前,最大误差为0.33°,加入复合控制之后,误差为0.06°
七、系统的测试结果
为了测试系统的运行情况,选用典型信号对系统进行测试,以检验系统是否达到设计要求,在本系统中选用了两种典型信号,正弦信号和典型航迹。
1.正弦信号
按给定的最大速度Vm=25°/s,最大加速度εm=50°/s2,构成一个正弦函数R(t)=12.5sin2t
按4 ms采样周期产生此信号,驱动系统运行,用计算机检测该系统的光电编码器的反馈信号,计算跟踪误差应小于0.3°,实测结果小于0.06°。
2.典型航迹信号驱动法
按给定最大速度Vm=25°/s,最大加速度εm=50°/s2构成一个典型航迹,该信号最大加速度与最大速度在同一时刻产生,因而条件苛刻。实测系统误差为0.07°。
参考文献:
李友善,《自动控制原理》,国防工业出版社,1979