两轴稳定转台伺服控制系统研究

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1、两轴稳定转台伺服控制系统研究兰州理工大学 硕士学位论文 两轴稳定转台伺服控制系统研究 姓名：董新利 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：陈惠贤20100421IV摘要两轴稳定转台是光电经纬仪中重要组成部分,两轴稳定转台主要承载着激光、 红外、电视及高速摄影等多种跟踪与测量设备。当目标已经进入光学测量的视场 内后，首先锁定目标，然后一直跟踪目标，保证目标一直位于光学测量的视场内， 系统记下目标与视场中心的偏差一一脱靶量，测角系统将测量出现场中心的方位 角和俯仰角，随后将此和脱靶量合成后得到目标的实际角位置，因此，在跟踪过 程中转台随动精度的控制在测量中十分重要。两轴稳定转台性

2、能的优劣直接关系 到光电经纬仪的可靠性和可信度，是保证整个系统的精度和性能的基础。由于两轴转台直接关系到光电经纬仪的工作性能，两轴转台的研发包括机械 设计和伺服控制系统两个部分，本文主要计对转台的伺服控制系统展开研究。整 个转台控制系统包括两部分：上位部分和下位部分。本课题以车载光电经纬仪系统 的设计为背景，以其关键部分之一的转台部分为研究对象，讲述了转台机械部分 的设计结果，主要系统地研究了转台系统中的控制部分。转台控制部分的主要功 能是根据测角部分反馈的信号，通过上位计算机和下位可编程控制器相结合实现 控制算法，得出相应的控制量，经功率放大后，驱动直流电机，实现对转台速度、 位置的控制。测

3、角部分由测速陀螺仪，旋转变压器和光电编码器组成，实现对转 台速度、位置信号的反馈。本论文详细介绍了转台机械部分的设计和转台伺服控制系统研发过程，首先 讲述了两轴转台的机械结构设计情况，然后对转台机械结构、运动规律及性能指 标进行详细的分析，为转台控制方案的合理制定提供了依据。其次，对伺服系统 做进一步研究，为转台伺服控制系统方案的制定提供了理论依据。最后，制定出 了合理的两轴转台控制方案，并详细介绍了软硬件实现。本论文重点通过对该系统使用传统PID控制与模糊自适应PID控制算法进行了 深入研究，并通过进行仿真实验对控制算法进行验证，最后发现该系统采用模糊 自适应PID控制策略，可以使系统在静态

4、特性与动态特性上符合设计要求。从而确 定了本控制系统采用模糊自适应PID控制的策略。并且，在模糊自适应PID控制实 现的过程中采用模糊推理过程在上位组态软件的脚本程序中实现，PID控制器在西 门子S7-200PLC中实现，上位与下位的集合实现模糊自适应PID控制的策略，这种 实现方案在转台控制系统中属于一种创新。除此之外，本论文还详细介绍了两轴转台控制系统中硬件实现、以及上位机 和下位及软件实现设计，给出了详细的结构图与控制流程图，针对设计过程中碰 到的具体问题，进行了具体的分析和给出了相应的解决办法，这对于实际控制系硕士学位论文统的搭建具有一定的指导意义。关键词：两轴转台，伺服控制，PID,

5、模糊自适应PID控制，控制回路III两轴稳定转台伺服控制系统研究Research on Two-axis servo control systemAbstractTwo-axis stabilized turntable is an important component of electro-optic theodolite, two-axis stabilized turntable is a tracking and measuring equipment, which main bears laser, infrared, TV and high-speed photography.

6、When the target has entered the optical measurement field of view, firstly, locking on target, then tracking target and ensuring that target always in the optical field of view, the system will measure the on-site centers azimuth and elevation, followed by synthesis of this and the miss distance obt

7、ained by the actual target angular position, according to this principle may know, turntable servo motor control is playing an important role in the measuring accuracy.Stability properties of two-axis rotary table will directly affect the reliability and credibility of the electro-optic theodolite,

8、it ensures the accuracy and performance of the whole system basis.As the two-axis turntable directly affect the work performance of electro-optic theodolite, research on two-axis rotary table consists of two parts, mechanical design and servo control system. This paper will mainly study the turntabl

9、e servo control system. The turntable control system consists of two parts: the upper part and lower part. The subject of stability of a certain type of two-axis turntable control system for the background and study of the turntable control system in the control part. Control part of the main functi

10、ons: According to angular part of the feedback signal back through the upper and lower PLC computer control algorithm to achieve together, the corresponding control value obtained by the power amplifier, the drive motor, to realize the turntable speed, position control. Angular velocity gyroscope se

11、ction includes speed gyro and optical encoder, which realizes the feedback signal to turntable speed and position.The research on servo control system is described in this paper, first of all, analyzes in detail the mechanical structure of the two-axis turntable, sports law and sports performance, t

12、he results for the turntable control program provided the basis for the formulation. Secondly, the further study of the servo system provides a theoretical basis for the development on programs for the servo control system to. Finally, design a reasonable two-turntable control program, and gives det

13、ails of software and hardware.IV两轴稳定转台伺服控制系统研究The paper used in the drawing on the traditional fuzzy control method based on single chip, which improved the definition of membership functions and fuzzy rules call way. Experimental results show that the improvements to this paper fuzzy rules to impro

14、ve the system performance.In addition, the paper also introduces the two-axis turntable control system hardware design, and upper and lower machines software design, and gives a detailed diagram and flow chart for the design process touch to the specific issues carried out detailed analysis and the

15、corresponding solution is given, it is significant to structure actual control system.Key words: two-axis turntable, servo control, PID, fuzzy adaptive PID control, Control loop插图索引图1.1转台伺服系统的典型三环结构示意图3图2.1两轴转台机械结构图8图2. 3.两轴转台结构简图10图2.4两轴转台俯仰框理想模型10图2.5两轴转台方位框理想模型10图2.6水平轴绕OZ1转动图11图2.7俯仰轴绕OY2转动图12图3

16、.1伺服控制系统组成框图17图3.2两轴转台多环控制器结构18图3.3模拟速度环19图3.4两轴转台速度环20图3.5.转台的位置闭环控制系统20图3.6直流伺服系统原理框图21图3.7电机-负载模型22图3.8电机-负载模型结构图23图3.9电机-负载理想模型结构图24图3.10直流伺服电机转动系统结构框图24图3.11伺服电机转台系统MATLAB仿真图25图3.12系统稳态特性25图3.13系统动态响应25图3.14 PID控制系统原理框图26图3.15位置式PID控制方框图26图3.16增量式PID控制方框图27图3.17模糊参数自适应PID控制系统结构30图3.18 e(k)的语言变量

17、值32图3.19Kp、Kd的隶属度函数32图3.20 般过程对阶跃的晌应33图3.21输入模糊化和模糊推理过程37图3.22输出模糊量示意图37图3.23伺服电机极限转速测试38图3.24 e、ec隶属度函数39图3.25输出隶属度函数40vin图3.26模糊控制器软件控制流程图41图3.27系统仿真图42图3.28模糊HD控制阶跃响应42图3.29模糊PID控制误差响应43图3.30伺服电机惯量特性43图3.31不同控制策略下系统动态响应曲线44图4.1两轴转台系统总体控制原理方案45图4. 2两轴转台系统控制原理图46图4. 3伺服电机驱动器50图5.1两轴转台主控界面图54图5. 2两轴

18、转台状态显示界面图54图5. 3上位数据库建立视图55图5. 4运行策略实现图示55图5. 5模式判断模块流程图58图5. 6接收模块流程图59图5. 7主程序软件流程59附表索引表2.1转台性能指标13表3.1控制器参数变化与对系统性能分析29表3.2 Kp的模糊控制规则34表3.3 Kd的模糊控制规则34表3.4 a的模糊控制规则34表3.5 Kp数字化模糊规则表40表4.1 J160LYX02P直流伺服电机参数表49表4.2微机械角速率陀螺参数表51表4.3多极/双通道旋转变压器参数表51兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下

19、独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。作者签名：曰期：站年(月乎曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本

20、学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。两轴稳定转台伺服控制系统研究第1章绪论1.1课题来源及研究意义本课题来源于西安方元明有限公司2008年对“车载两轴转台”的新产品研发 项目。本文主要针对两轴转台的控制系统展开研究，主要目的是研发出一套满足 技术要求的控制系统。两轴稳定转台是光电经纬仪中重要组成部分，主要承载着激光、红外、电视 及高速摄影等多种跟踪与测量设备。当目标巳经进入光学测量的视场内后，首先 锁定目标，然后一直跟踪目标，保证目标一直位于光学测量的视场内，系统记下 目标与视场中心的偏差一一脱靶量，测角系统将测量出现场中心的方位角和俯仰 角，随后将此和脱

21、靶量合成后得到目标的实际角位置，因此，在跟踪过程中转台 随动动作控制精度在测量中发挥着重要的意义。两轴稳定转台性能的优劣直接关 系到光电经纬仪的可靠性和置信度，是保证整个系统的精度和性能的基础。转台是一种复杂的机电耦合设备，分为单轴转台、两轴转台和三轴转台，近 些年来对三轴转台和两轴转台研究的投入量加大。三轴转台主要应用在航空、航 天领域中进行半实物仿真和测试，在飞行器的研制中起着关键的作用；两轴转台 主要应用在军事上，例如：雷达天线的自动瞄准跟踪控制，高射炮，战术导弹发 射架的瞄准运动控制，坦克，军舰的炮塔运动控制等，所以对两轴转台的深入研 究对国防建设有着重大意义。同时，转台性能的优劣直接

22、关系到整个设备的可靠 性和置信度，是保证航空航天型号产品及武器系统精度和性能的基础，在航空航 天工业和国防建设的发展中具有重要的意义tl。1.2转台的国外研究现状及分析车载光电经纬仪的研究无论是国内还是国外都属于一个比较新的研究方向， 而在该系统中转台部分是其中最关键的部分之一，它的性能直接影响到整个系统 的各方面性能指标。对于转台的研究，国内外都己经有了非常成熟的经验。如1945年美国MIT的 仪表试验室研制成功的A型转台，它是是世界上第一台转台。它釆用滚珠轴承和 交流力矩电机直接驱动，位置分辨率为角秒级。随后研制的B型和C型转台釆用了 精密齿轮系代替直接驱动装置。1954年投入使用的D型转

23、台，采用了光电测角系 统和精密的锥形滚珠轴承，标志着转台设计进入了一个高级阶段。E型转台的定 位精度己达到3级。20世纪60年代，美国的转台釆用了空气轴承和交流力矩电机 直接驱动，可测试0.00001。/h.漂移速率的陀螺。20世纪60年代末的转台已经开 始采用计算机控制。美国的CGC公司分别在上世纪60年代末和70年代末研制并生 产了51系列空气轴承转台和53系列的三轴转台，开始采用模块化控制系统，30H 使系统的结构设计为多轴测试设备提供了最大的扩充能力，30H系列的模块功能 部件提高了系统使用的灵活性和可维护性.1984年CGC公司提出了高精度三轴测 试台ITATT的设计制造方案，在轴承

24、测试台的结构驱动装置测角系统控制及转台 的电气和信号传输等方面应用了许多新技术“_5】。我国的转台研究始于1965年，在1974年由707所研制成功了DT-I型低速转台； 1979年由哈尔滨工业大学、441厂和6354所三家共同研制成功，我国第一台TPCT-I 双轴伺服转台-“7191”双轴空气轴承转台，该转台内外环均采用空气静压轴承 支撑，用感应同步器作为测角元件，交流力矩电机直接驱动，能测量漂移率为0.01 /h的惯性系统。1983年由航天部十三所研制的SSFT伺服转台是我国最大的双轴 伺服转台它可以用来测量漂移率为0.01/h的双自由度陀螺三自由度陀螺及加速度 计。1985年由哈尔滨工业

25、大学研制的DPCT-1I型转台，是我国第一台计算机控制 的转台，其伺服控制采用数字/模拟混合控制。提高了控制精度、灵活性及自动测 试水平测角分辨率达到(U6毫秒，位置精度达到了 1毫秒，可测漂移率为0.01 /h. 的陀螺。1993年航天部303所研制成功SGT-1型三轴转台，在这一领域美国和俄罗 斯处于领先水平。我国目前所研制的惯导测试设备基本上采用模块化、标准化测 量控制系统*现在正在开发第二代总线方式的模块化、标准化的测量控制系统， 并且已经向工程化方向发展57】。但是，根据车载光电经纬仪系统的应用环境特点，系统中所使用的转台系统 在体积、控制性能、控制方式上都具有自身独特的特点，表现在

26、结构简单、体积 小、重量轻、具有较高的机动性能与控制精度。现在应用在车辆和轮船上的系统 还没有一个很成熟的方案。西安方元明公司看到该设备的在军用行业的商机，投 入大量人力，财力全力研发该项目。本文正是在上述背景下，展开了对两轴转台伺服控制系统的研究。1.3转台伺服系统概述伺服系统是指对于时间任意变化的给定信号进行跟踪的一类自动控制系统。 其控制的最终目的是使系统的输出量与给定的指令信号量之间的差值最小。伺服 系统的特点包括：(1)系统输入量是时变的，可能是等速，匀加速，正余弦，突变信号或者其它3硕十学位论文信号。(2) 要求系统跟踪具有稳定性。当输入信号任意变化时，伺服系统能够稳定工(3) 要

27、求系统精确跟踪输入信号，即稳态跟踪误差尽可能小。(4) 要求系统响应速度快，能够快速跟随输入信号的变化。两轴转台是一种典型的伺服系统，是光电跟踪仪中的关键设备。两轴转台伺 服系统又与普通的伺服系统有所区别，这主要体现在以下几个方面9:(1) 两轴转台伺服系统一般都用于航空航天以及军工用途的高级精密设备，因 此，转台系统的硬件设备比较精密，转台台体的加工精度高，驱动设备的快速性 较好，联结传动环节的死区和误差小，转台台体的刚度大。(2) 为了实现对角位置的直接驱动，一般都选取适当的直流电机直接驱动转台 转轴运行从而省略了中间的传动机构(如齿轮箱等等变速机构）。因此，转台伺服 系统避免了由于齿轮间

28、隙等因素导致的死区和非线性现象，可以建立在低速运行 状态下的较为精确的数学模型，从而为进一步的控制和补偿确立了理论基础。目前，转台中常用的或者正在研究的控制方法有以下几种111:1)经典的控制理论和控制方法国内大部分的转台采用的都是经典的控制理论和控制方法，如PID控制，前 馈补偿控制，复合控制，变参数前馈补偿控制和变参数复合控制等等。在该方法 中，转台对象通常近似为线性时不变系统，即忽略了死区，摩擦等非线性因素， 对于多轴转台通常也不考虑几个框架之间的交联影响，釆用线性控制理论设计补 偿控制和串联校正装置，将转台的整体性能品质修正到希望值上。转台伺服控制 系统结构一般采用典型的三环结构如图1

29、-1所示，即电流环，速度环和位置环， 通过三环的各自校正，对转台伺服系统中的各种非线性因素进行有效的抑制。执行机构被控对象图1.1转台伺服系统的典型三环结构示意图实践表明，在转台系统的跟踪性能指标要求不是很高的情况下，这种经典的 控制理论和方法的运用效果还是不错的。但是，当转台系统的跟踪性能指标要求 很高时，转台系统的非线性因素以及时变特性对转台系统的影响仅靠定常数的线 性控制方法是很困难的，有时是不可能的，因此，研究一种适用于具有非线性时 变特性的实际转台伺服系统，有效地改善转台系统的低速性能和增大转台系统的 动态范围就有了必要。2) 自适应控制转台的数学模型会随着时间和工作环境的改变而改变

30、，例如转台中存在的机 械摩擦、轴系间的力矩耦合、电网波动和环境干扰等，而且很难知道其变化规律。 在自适应控制中，控制系统本身能不断地检测系统参数，根据参数的变化改变控 制参数，使系统运行在最优或接近最优状态。目前应用比较广泛的自适应控制有 变增益自适应控制，模型参考自适应控制和自校正控制。其中，模型参考自适应 控制是一个关注的热点。3) 智能控制智能控制是近些年发展起来的、主要用来解决传统控制方法难以解决的非线 性时变系统和难以得到固定对象模型的复杂系统的控制问题。常见的智能控制有 模糊逻辑控制、神经网络控制和模糊神经网络控制等，智能控制器具有自适应、 自学习的功能，可以认为基于模糊理论和人工

31、神经元网络的辨识器是一个可以逐 步逼近未建模对象的“万能逼近器”，在此基础上进一步调节控制器参数，从而 取得较好的控制效果。由于智能控制无需依赖被控对象的数学模型，具有较高的 通用型，因此，智能控制在转台中的应用也得到了极大的关注【1213】。1.4机电系统实现精确控制的难点对伺服系统的要求是使其输出能够连续、平稳地跟随输入的变化规律改变， 并保证一定的跟踪精度。但由于系统的执行元件是电动机，在低速跟踪时，实际 的伺服系统将会因执行电动机的不稳定造成不均匀跳变的频繁发生但实际上执 行电机的不稳定只是次要因素，不作为主要因素考虑。伺服系统在低速工作时，会出现低速不平稳现象。所谓低速不平稳，是指当

32、 系统运转速度低于某一临界值时，其运动速度呈脉动现象，这种现象又称低速抖 动或低速爬行。摩擦力矩干扰是使转台产生爬行的主要原因之一】。在控制系统设计中，伺服转台的控制可分为模拟控制和数字控制两种，模拟 控制反应迅速，适于快速反应系统。数字控制为实现许多复杂但有效的控制算法 提供了可能，从而保证系统较髙的位置精度。但是数字控制使系统响应滞后，这 对于系统的抗干扰能力是不利的。实际生产过程都常常存在着不确定因素1S,如变结构、变参数、非线性、时 变等，难以建立受控对象精确的数学模型。特别是常规调节器的控制参数具有固 定形式，不易在线调整，且参数整定过程长，参数间相互影响，折衷后难以收到 最优效果。

33、由此可以看出，固定不变的PID控制并不是理想方案，若能随着系统实 时控制的变化，适当时刻调整P、I、D信号，控制效果会更好。1.5论文主要研究工作整个转台控制系统包括两部分:上位部分和下位部分。本课题以车载光电经纬 仪系统的设计为背景，系统地研究了转台控制系统中的控制部分。控制部分的主 要功能是根据测角部分反馈的信号，通过上位计算机和PLC相结合实现控制算法, 得出相应的控制量，经功率放大后，驱动直流电机，实现对转台速度、位置的控 制。测角部分由测速陀螺、旋转变压器和光电编码器组成，实现对转台速度、位 置信号的反馈。本论文主要的研究工作是根据光电经纬仪的两轴转台部分的机械结构，以及 控制部分的

34、技术要求，对两轴转台伺服系统控制系统进行深入研究。通过分析可以将该两轴转台控制系统按功能分为如下几个部分1) 上位机：实现对下位控制器的界面操作，实现相关参数设定、数据显示、 开关控制、部分控制策略的实现，即接收微机械陀螺和旋转变压器釆集回的信号， 并对其进行运算，输入到模糊推理规则程序，给下位PLC中的PID控制器提供参数 设定，最终实现模糊自适应PID调节。2) 下位机：实时接收上位机串口发出的控制命令，.在PLC中实现逻辑控制、 数据采集、数模转换、PID调节等功能，最终通过串口通讯给伺服驱动器发送控制 信号，伺服控制器根据上位机的命令实现对电机的驱动，电机带动转轴转动实现 方位和俯仰运

35、动，转轴上安装的光电编码器将信号反馈给伺服驱动器实现半闭环 控制，机械陀螺与旋转变压器将信号反馈给PLC ,通过PLC进行数据处理后发送给 上位机，实现全闭环控制。针对上面的各功能模块，两轴转台伺服控制系统研究主要包括四项内容：(1) 两轴转台的结构、性能及运动分折：针对转台的机械结构和运动规律进 行研究，确定要控制的重要物理量，并确定控制系统应完成的控制功能及控制方(2) 两轴转台伺服控制系统的研究：通过对伺服控制系统的原理机构进行详 细的研究，并确定该系统的控制回路，并设计出最适合该系统的控制回路，重点 对模糊PID控制算法在给系统中的实现进行深入研究，并设计出合理的控制方案。(3) 两轴

36、转台伺服控制系统的硬件实现：搭建出合理的控制系统，包括控制 器的选择、驱动元件选择、测角元件的选择，传感器的选择。(4) 两轴转台伺服控制系统的软件实现：包括使用MCGS组态软件实现上位控制界面的设计，模糊PID控制策略的软件实现，下位控制软件的设计。1.6论文结构安排论文主要根据两轴转台的具体性能指标，提出了一套以上位机和下位机组成 的控制系统，上位采用工业计算机，下位选用S7-200PLC,以无刷直流电机为被 控对象的转台伺服控制系统完整方案。论文具体结构安排如下：第一章：概述转台技术发展的重要意义，总结了国内、外转台的发展现状， 提出了课题的研究背景以及本文作者所做的工作; 第二章：车载

37、转台的结构、性能及运动分析研究； 第三章：对两轴转台伺服控制系统进行研究； 第四章：两轴转台伺服控制系统的硬件实现； 第五章：两轴转台伺服控制系统的软件实现； 第六章：对本论文工作做了总结，并对课题的进一步工作进行展望。7硕士学位论文第2章两轴转台的结构、性能及运动分析2.1引言两轴转台是一个非线性、强耦合系统，其精度的提高会受到诸多因素的影响 和制约，由于转台台体结构、框架结构是转台的重要组成部分，其性能的好坏直 接影响到转台的性能指标，同时也影响整个设备最终的性能，在做一套设备的控 制系统之前对该设备的机械结构和运动规律进行深入的了解和分析，将会为设计 出一套合理的控制方案做好充分的准备，

38、因此本章将对转台的主要性能指标和控 制要求介绍，针对转台的机械机构、运动规律、性能要求进行分析，最后对两轴 转台控制系统要实现的功能进行总结。2.2两轴转台主要性能指标与控制要求这种两轴转台主要用于高速运行的汽车上由于在汽车运行过程中各地地理状 况的不同考虑到列车将在较大的纬度变化区域中行驶对转台的机械性能与控制性 能等提出了如下的要求。1、对转台机械性能的要求(1) 转台的旋转范围：0土185 ；(2) 转台的俯仰角度：-1530；(3) 转台重量：转台：5kg(含安装基座）；(4) 转台尺寸：转台旋转直径不大于300mm，露出车顶高度不大于400mm;(5) 最大承载重量：10kg;(6)

39、 具有防过冲限位功能；(7) 提供抗风保护。2. 对控制性能的要求(1) 指向精度：水平：2mrad;俯仰：2mrad;(2) 重复精度：水平：lmrad;俯仰：lmrad;(3) 控制方式：自动：通过RS232把转动角度传给转台驱动器； 角速度角度控制精度 0.3. 最大加速度为29。/s200。/s2；手动：通过摇杆把转台转到目标位置； 角速度范围:0.1 /s100 /s.两轴稳定转台伺服控制系统研究3.其他要求：1)工作环境温度：-10 C55 C； 2)工作环境湿度：0%100%:(3) 工作电S:DC： 2430V;(4) 电源最大功率：150W;76As,如图（2.3)所示，承载

40、设备主要安装在俯仰框，简 化之后俯仰框就如图（2.4)所示，方位框如（2.5)所示。硕十学位论文图2. 3.两轴转台结构简图图2.4两轴转台俯仰框理想模型图2.5两轴转台方位框理想模型由上图所示分析可知道，俯仰框和方位框的运动都属于刚体的定轴转动，刚 体(rigid body)是个理想模型，在研究过程中刚体中任意两点的间距不变。刚体的 定轴转动(类似于质点的一维直线运动)。mI i3其中俯仰轴运动属于薄板绕转轴的转动，根据薄板绕转轴的转动惯量为(2.1)其中a为扳宽度；m为薄板质量。由该转台机械结构可知a-150mm-0.15m, w+m负载+ 5切-6ifcg，将该值带入（2.1)式得 J-

41、yfl2-|x0.152 -0.045切历2(2.2)方位轴运动形式属于定轴转动，根据方位轴是圆柱体绕轴线转动时的转动惯 量公式：mJ =t11其中 -为圆柱体的半径：m为圆柱体的质量， 由该转台机械结构可知 r 220mm 0.22m , m %+4)tg+5Jfcg-10切，将该值带入M仰框方位框(2.2)式得 (2.3)7 -x0.222 0.242)tgjn2 已知：转动惯量定理: (2.4)MJp其中：M一一是扭转力矩； J一是转动惯量； 一一是角加速度。由技术要求可知：/3200 /s2 3ASrad/s1M 俯仰=0-045 x 148 =Mm = 0.242x3.48 = 0.

42、85Nm 该部分的动力学分析为执行元件的匹配提供了参照数据。具体的选型计算将 在后面章节详细介绍。以上是对转台本身运动的一个动力学分析，该转台的运动 目的是为了实现该转台所承载设备在三维空间中点的定位控制，直角坐标系如图 所示。OXYZ是固定的惯性坐标系，Qka，o2r2z2,分别固定在水平轴，俯仰架 可分别绕cZp oy2转动，转角为办4坐标系单位矢量的关系如下17: 绕转动约坐标变换如下：i 20, (cosd1 -sin 代0、sin cos 600 01图2.6水平轴绕021转动图(2. 5) 然后绕0转动角后坐标变换如下：两轴稳定转台伺JK控制系统研究(2.6)最后联立（2.5)、(

43、2.6)得出相对OXYZ的惯性坐标系的坐标变换如下:(2.7)图2. 7俯仰轴绕0Y2转动图 /j cosd2 0 sin02 人=0 1 0 kx 卜sin02 0 cosd2xCOS020sin 1 2iyieljZ2dl cos1 e2 式中、是水平轴相对4轴转动时的转动惯量，、是俯仰轴相对12、 y2 轴转动时的转动惯量。(2.9)p、V为俯仰轴的材料密度及横截面积，、&为俯仰轴的长和宽，俯仰轴的 重心距离a/2,则转台的总势能V为：V “pva2sind2 + pvbasind2由拉格朗日方程，L-r-Fd_ JtdL d6：dL1,2M；dds 式中M,为作用在水平轴、俯仰轴的外力

44、矩 对水平轴有：dLJh 0、+ d1 sin2 e2 + JH 0t cos2 e2硕士学位论文Ma,aft(2. 10)39 对俯仰轴有：】，入a 9i 啐 sinoos 马 一 sinCDspwoos 马-pvctoos 均2沈J=/ -3/fsinGOS+J (fsinoos/WOOS(2. 11)均22.5两轴转台性能分析转台的技术指标主要根据使用要求来制定。根据2. 2所介绍的技术要求总结出 该控制系统的主要技术指标如表（2. 1)所示。可见现代转台的技术指标要求越来 越高，最重要的性能指标可以用“高频响、超低速、宽调速、高精度”来概括ue17。表（2.1)转台性能指标指标项指标带

45、宽4赫兹速度范围0.1 /s100 /s。最大加速度29 /s 200 /s2角位置精度0.3(1) 高频响应转台的动态特性会对整个控制回路的动态特性产生直接的影响，为了减小这 种影晌，需要拓宽转台频带，使得各个自由度均能在较宽的频带内复现输入信号。 实现高频响应性能的关键是执行元件、控制元件、框架系统和控制系统的设计。 转台伺服系统频率响应特性的确定，是以运动框体的运动特性和台体本身的自然 特性为依据的。系统的频带原则上认为愈宽愈好，频带越宽，就可近似认为伺服 系统在相当宽的频带范围内无惯性环节，而具体系统的研制则不易实现宽频带， 系统频带过宽时，伺服系统内外部的高频干扰将会通过，从而使系统

46、的抗干扰能 力减弱，影响了系统的稳定性。因此，应在满足系统技术要求的前提下使频带宽 度保持最小值。SL.(2.10)、（2.11)为两轴转台系统的动力学模型(2) 超低速低速性能是两轴稳定转台整体性能好坏的重要标准之一，低速平稳性的好坏， 直接关系到转台控制系统的置信度。原因如下：如果低速平稳性不好，即角速度发 生周期性的突跳，安装在转台上的测控元件很容易受到这种速度的脉动，对控制 系统产生错误信号，引起“飞控极限环”现象，产生严重的控制误差。伺服系统 的低速平稳性主要取决于系统在小信号下工作的非线性因素，如间隙、摩擦、不 灵敏区等，对电机驱动而言，主要是保证电机低速力矩波动要小。(3) 宽调

47、速调速范围是最大角速度与最低角速度的比值。转台系统的动态范围宽，表明 系统能快速跟踪输入量的变化，对输入量的微变化亦能很好的反映。这就要求既 能满足最大速度要求，又能使低速信号输出平稳。转台系统的动态范围与其执行 元件的调速范围对应。(4) 髙精度要求静态精度高，以确保转台的静态性能，包括位置精度、重复性、分辨率 等。影响位置精度的主要因素有位置环中元件的死区、磁滞、摩擦力矩、偏载力 矩等。其中位置反馈元件起主导作用，因此要采用高精度的位置反馈元件。2.6两轴转台的功能通过前边的介绍和分析，总结出该转台控制系统首先应具备如下功能：(1) 转角位置伺服控制转台工作在位置伺服控制力矩式，可以按给定

48、位置指令要求伺服调节各框的 位置，并具有所要求的频率响应品质。(2) 转角速度伺服控制转台工作在速度伺服控制方式，可以按给定速度指令要求伺服调节各框的速 度，并具有所要求的频率响应品质。(3) 转台限位报警转台限位有软限位和硬限位两种：转台的软限位是在控制器面扳上任意设置 限位值，当转台转角大于软限位值时，由软件程序处理发出限位告警指示和保护 指令。转台硬限位由安装在台体的限位开关实现，当转台的转角大于硬限位值时 限位开关闭合，接通转台的保护与告警电路，转台转入保护动作。(4) 转台保护报警转台的保护指：功率放大器故障、转台越位、手动应急等。当出现转台保护时， 转台控制器响应动作为：转台位置闭

49、环控制回路为低增益，转台位置环输入为零， 切断功率放大器的伺服电源，转台伺服电机与功率放大器脱离，转台伺服电机线 圈短接。(5) 转角的实时显示转台控制器能提供转台转角的实现数值显示，一般转角指示精度为0.01。(6) 微机监控转台数字控制器采用微机数字控制，转台控制具有与上位微机接口的能力。 转台控制器可以接受监控器的指令或上位微机的指令，并可使转台的位置传送到 上位微机。(7) 紧急停车当出现异常情况时，或当操作人员认为必要时，可以按下应急键，使转台控 制系统进入紧急停车状态。当转台进入紧急停车状态时，转台的控制动作与保护 动作相同。2.7本章小结一套完整的设备都会包括机械部分和控制部分，

50、控制系统是使整个设备具有 “灵魂”的部分，设计一套合理的控制系统之前，对该设备的机械部分的结构和 运行规律进行了解和分析，将会为设计一套合理的控制方案打下良好的基础。本章首先介绍了两轴转台的主要的性能指标、技术要求及机械结构，详细分 析了两轴转台的运动规律和性能指标，最后总结出了该转台控制系统应该实现的 主要功能，为后边的控制方案的设计提供了具体依据。第3章两轴转台伺服控制系统的研究3.1引言通过上一章讲述我们了解了该转台的机械结构、运动规律以及性能指标，该 转台控制系统应该使用伺服控制方式来实现。本章将根据伺服控制理论，对两轴 转台控制回路进行设计，并将对两轴转台伺服控制系统进行深入的理论研

51、究。3.2伺服控制系统介绍3.2.1伺服控制技术的发展伺服系统又称作位置随动系统，主要解决对象的位置控制问题，根本任务就 是实现执行机构对位置指令的准确跟踪，系统的输出量或称被控量一般是负载的 空间位移，当给定量随机变化时，系统的输出量能够准确无误地跟踪给定量的变 化并能复现给定量。世界上第一个伺服系统是有美国麻省理工学院辐射实验室(林 肯实验室的前身）于1944年研制成功的，这就是火炮自动跟踪目标的伺服系统18】。 第二次世界大战期间，由于军事上的需求，先进的武器和飞机的控制系统以 及加工制造武器的复杂零件的机床等控制系统，均提出了诸如大功率、髙精度、 快速响应等一系列高性能要求。液压系统具

52、有地一些特点正好适合于这种场合， 从而促使人们更深入地研究液压技术。到50年代末期和60年代初期，电、液伺服 技术的基本理论已经日趋完善，从而使电液伺服系统的应用达到了前所未有的高 潮，并被广泛的应用于武器、舰船、航空、航天等军事工业部门以及高精度机床 控制。它表现出无以伦比的快速性、低速平稳性等一系列优点19。但是，液压系统存在漏油、维护修理不方便，对油液中的污染物比较敏感， 而经常发生故障等缺点。另一方面，机电伺服系统在一些重要元器件的性能上有 了新的突破。尤其是1957年可控的大功率半导体器件一晶闸管的问世，由它组成 的静止式可控整流装置无论在运行性能还是可靠性上都开始具有明显的优势。于

53、 此同时，相继研制出了力矩电机、印刷绕组电机、无槽电机、大惯量宽调速电机 等性能优良的执行元件，与脉宽调制式装置相配合，大大改善了伺服系统的性能。 伺服系统隶属于自动控制的一个组成部分，最早是以经典的频率法进行分析 和设计的。它是以传递函数、拉普拉斯变换和奈奎斯特稳定理论为基础的。50年 代发展了根轨迹法。到60年代发展了现代控制理论，适用于多变量时变系统，为 计算机在伺服系统中的应用奠定了理论基础2。近年来，随着IC设计技术和计算机技术的迅速发展，使计算机成为伺服系统 中的一个环节己成为现实。在现代伺服控制系统中，己经可以利用计算机来完成 系统的校正、改变伺服系统的带宽、增益、完成系统的管理

54、监视等任务。总而言 之，微电子学的突飞猛进、大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使得伺服 控制技术获得迅猛发展。3.2.2伺服控制系统的组成图3.1伺服控制系统组成框图伺服控制系统框图如图3.1所示，一般来说，伺服控制系统由以下功能部件21 22、1、测量元件测量元件能够检测被控制的物理量，在随动系统中被测量是角度或位移，而 在速度控制系统中被测量是转速或角速度。常见的测量元件有电位计、测速发电 机、测速桥、自整角机或旋转变压器。对于要求更高的测量精度时，可以用数字 测速元件一光电脉冲测速机或数字式轴角编码器。2、给定元件给定元件的职能是给出与期望的被控量相对应的系统输出量。3、比较元件比较

55、元件是把测量元件检测的被控量的实际值与给定元件给出的参考量进行 比较，求出它们之间的偏差。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置、电 桥电路等。4、放大元件放大元件能够将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件控制 被控对象。5、执行元件其职能是直接推动被控对象。用来作为执行元件的有阀门、电动机、液压马6、校正元件校正元件也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串连或反馈的 等效方式连接在系统中，以改善系统的动态性能，减小或消除系统的稳态误差。3.3两轴转台的控制回路研究两轴转台是由方位框和俯仰框组成，并且方位框式实现360的转动，俯仰框 的转动为局部范围转动，两框被控制量为该

56、框运动的速度和位置，速度的范围可 调，速度控制精度为o.r/s，位置控制精度0.3,精度要求较高，所以该系统必须 采用伺服控制模式。转台单框系统的控制采用如图3.2所示的多环控制器结构，其 中外为框架参考角位置输入信号，彻为输出角信号。执行机构mm图3. 2两轴转台多环控制器结构实际的设计中，适当选择低频段和中频段参数，在保证系统稳定精度和稳定 性的前提下，使系统具有良好的跟随性能，并加强对负载扰动的调节能力，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21】。3.3.1电流环设计引入电流环负反馈可以

57、充分利用电机所允许的过载能力，同时限制电流的最 大值，从而对电机的启动或制动器起到快速保护作用。设计得到的电流环控制直 接在功放电路中实现。在电流环中引入适当的控制器，就可以使电流环达到无静差跟踪阶跃信号， 有效减少电机回路的时间常数，为加宽速度环的频带、设计具有快速响应的速度 环控制器打下良好的基础。在电流环的具体设计中，常将功率放大器与电枢电流之间的关系用一个惯性 环节来等效，参考仿真模型加入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、无超调或超调量小22。 3.3.2速度环设计速度环是位置控制系统中非常重要的一个环节，通常采用测速发电机作为速 度反馈元件

58、，构成模拟式速度反馈系统，但是由于转台机械结构和空间的限制， 本系统选用通过对旋转编码器检测到的角度进行积分运算得到速度。速度环的作用为：保证速度回路的稳定精度；在电机和框架的结构刚度不够 大的情况下，尽量提高速度回路的刚度，为转台的快速性，尽量拉宽速度回路的 频带；为保证转台平稳运转和抗噪声干扰，对高频段的谐振和未建模动态特性有 特大的衰减，尽可能降低系统对扰动的灵敏度；减少速度环的死区电压。采用模 拟式速度反馈的好处是，一旦位置环控制发生故障，速度环仍然可保持系统的稳 定性，不至于发生飞车现象。但是速度环的刚度也不能过大，否则会容易引起系 统的机械震荡，并将影响系统的稳定性。在速度环设计时，应当考虑以下两点23:1) 速度环应当包括一个积分环节，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。2) 将速度环的闭环特性设计为过阻尼，使其主导极点，从而有利于克服摩擦 的影响，改善伺服电机低速运行特性。为此，传统速度环调节器一般设计为PID控制器的形式，其结构如下图所示:图3.3模拟速度环其中，Us为电压量纲的速度指令；Ud为转速反馈电压值；输出转速n的单位为 (度/秒）。若(UsUd)的数值范围