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[导读]摘 要:基于MSP430F149单片机设计一种三自由度转台的位置-速度双环控制器,并通过仿真验证其性能,对控制结果进行了分析。实验证明:系统能平稳、精确地按照任意给定位置信息转动,动态性能良好,可实现较高精度的位置和速度跟踪。

引言

对三自由度转台的速度控制精度直接影响着转台的性能。 本文所采用的三自由度转台,其俯仰轴、侧滚轴使用步进电机 驱动,方位轴使用直流无刷电机驱动。利用光电编码器采集 转台的位置信息,从而实现整个系统的闭环控制。因采用位置- 速度反馈双环控制策略,故提高了三自由度转台系统的性能。

1三自由度转台系统的复合控制策略

单环控制系统结构简单,容易实现,一般的控制系统大 都采用此种结构。但是,对响应速度和稳态精度要求较高的 系统,单环控制系统则难以达到令人满意的控制效果。因此, 本文在单环控制的基础上引入速度环构成双环控制系统,从 而提高系统的控制性能。

1.1双环控制器结构

根据本文中转台的特点,设计“位置-速度”双环PID 控制系统,其结构如图1所示,其中r为转台位置输入信号,” 为输出位置信号。

本系统中电机的转速可通过光电编码器获得。控制系统 可通过速度的反馈实时对电机的转速误差进行调节,并抑制 系统的超调,提高了系统的动态跟踪能力。此外,速度控制 在位置控制发生故障时仍能确保系统不发生飞车,从而提高了 系统的控制效果以及稳定性。

1.2三自由度转台复合控制策略

对于“位置-速度”双环控制系统,速度环与位置环相 互影响小,且可以有效抑制系统扰动,使系统具有很强的稳定性。在动态设计时,由于系统的响应速度取决于位置环的 截止频率,因此,为了提高系统的响应速度,位置环应该具 有较高的截止频率。然而在进行系统设计时,外环的截止频 率应远远低于内环的截止频率,因此,位置环的截止频率就 可能被限制得很低,从而影响了系统的响应速度,这是双环 结构的缺点。为了克服双环结构的这个缺点,我们采用前馈 控制策略,结合开环控制响应速度快和闭环控制精度高的优 点,从而实现三自由度转台高性能指标的要求。

在反馈控制系统的基础上引入输入信号微分前馈组成复 合控制,有利于提高系统的频带宽度。为了便于分析前馈调节 器与系统性能的关系,微分前馈复合控制系统采用如图4所示 的结构。其中,F(s)是前馈部分的传递函数,G (s)和G2 (s) 是系统固有的传递函数。

由图可得复合控制系统的输出表达式 :

根据式(1)可知,等号右边第一项为不加前馈时的系统 输出,第二项是加了前馈时的系统输出,如果F(s) =1/G2 (s), 则Y(s) =R(s),这是一个理想的结果,它表示系统的输出量 在任何时刻都能准确无误地复现出输入信号。引入前馈的复合 控制系统的传递函数与未引入前馈的复合控制系统的传递函数 具有相同的分母,因此,增加前馈不会影响原系统的稳定性。

根据转台的特点设计出基于位置环和速度环的PID控制 器,控制系统的Simulmk框图如图3所示,仿真效果如图4 所示。从仿真结果可以看出该控制系统可以实现较高精度的位 置跟踪和速度跟踪。

1.3 俯仰转台三角波跟踪效果

图 5 为俯仰转台跟踪幅值为 30°,周期分别为 3 s 和 4 s 的三角形波时的实际实验控制效果。图中实线为三角波,虚线为实际跟踪曲线。

图 6 为对应的角速度比较图,从角速度曲线上可以明显看出,对于俯仰转台转动角速度来说,转动速度越慢,同步精度越好。在俯仰转台的速度为 20 °/s 时,误差变动范围为0°~ ±4°;在俯仰转台的速度为 15 °/s 时,误差变动范围为0°~ ±2.4°。

俯仰转台在不同转动速度下,跟踪三角波的控制误差如表 1 所示。

2 结 语

本文对三自由度转台的位置 - 速度双环控制进行了研究。为提高控制效果,设计了双环控制系统,利用 Matlab 对控制系统进行了仿真,在此基础上,对转台进行了实际控制,得到了很好的控制效果。

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