付家才, 劉憲華,, 馬天楚

(1.黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027;2.哈爾濱飛行仿真技術(shù)研究所,哈爾濱 150001)

飛行模擬器電動(dòng)式操縱負(fù)荷系統(tǒng)控制策略

付家才1, 劉憲華1,2, 馬天楚2

(1.黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027;2.哈爾濱飛行仿真技術(shù)研究所,哈爾濱 150001)

操縱系統(tǒng)的控制策略是力伺服系統(tǒng)加載的關(guān)鍵技術(shù)。以電動(dòng)式力伺服系統(tǒng)為加載方式的飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng),采用上位機(jī)力閉環(huán) P ID控制、電流環(huán) PI控制與多余力矩補(bǔ)償相結(jié)合的策略實(shí)施控制。仿真結(jié)果顯示:分別加入力閉環(huán)和電流環(huán)控制后,系統(tǒng)的超調(diào)量減小,跟隨性能較好;采用角速度力矩補(bǔ)償法,系統(tǒng)多余力矩下降了 90%。實(shí)際控制效果進(jìn)一步表明,雙環(huán)與力矩補(bǔ)償相結(jié)合的復(fù)合控制策略可有效減小系統(tǒng)多余力矩,控制穩(wěn)態(tài)誤差。該研究可為構(gòu)造操縱飛行模擬器負(fù)荷系統(tǒng)樣機(jī)提供理論依據(jù)。

模擬器;伺服系統(tǒng);電動(dòng)式;復(fù)合控制;多余力矩

Abstract:The control strategies of control system hold the key technologies of force servo system loading.This paper proposes control strategies consisting of adoption of electric powered force servo system as loading mode of the flight simulator control loading system took,introduction of upper monitor force closed-loop P ID control,and combination of current loop PI control with combination of surplus torque compensation.The simulation results indicate that addition of force closed-loop and current control gives the system the s maller overshoot and better tracing;adoption of angular velocity torque compensation affords a 90%decrease in surplus torque.The actual control further shows that the control strategies combining double loops torque compensation allow an effective reduction in surplusof the system and better control of steady-state error.This research provides theoretical basis for constructing control loading flight simulator system model.

Key words:s imulator;servo system;electric powered;composite control;surplus torque

0 引 言

操縱負(fù)荷系統(tǒng)是半實(shí)物仿真不可或缺的重要設(shè)備。飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)主要用于仿真飛機(jī)橫、縱向駕駛桿力和腳蹬力[1]。目前,國內(nèi)外大型飛行模擬器人感仿真系統(tǒng)均采用力伺服系統(tǒng)加載方法。該加載方法的關(guān)鍵技術(shù)是操縱系統(tǒng)的控制策略?；诖?筆者針對(duì)飛行模擬器電動(dòng)式操縱負(fù)荷系統(tǒng),提出雙環(huán)與多余力矩補(bǔ)償相結(jié)合的復(fù)合控制策略,以期為構(gòu)造操縱負(fù)荷系統(tǒng)樣機(jī)提供理論依據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飛行模擬器電動(dòng)式操縱負(fù)荷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。該系統(tǒng)包括加載機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分。加載機(jī)構(gòu)由兩通道加載部件和加載臺(tái)體組成;控制系統(tǒng)由加載控制器、傳感器調(diào)理模塊、通訊模塊和主控計(jì)算機(jī)組成。

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

2 工作原理

以力矩加載系統(tǒng)為例說明操縱負(fù)荷系統(tǒng)工作原理。動(dòng)態(tài)力矩加載器是以力矩為被調(diào)整量的電動(dòng)伺服系統(tǒng),是典型的被動(dòng)式力矩控制系統(tǒng)。單通道加載器是動(dòng)態(tài)力矩加載器的一種,主要通過主控計(jì)算機(jī)采集舵機(jī)轉(zhuǎn)角信號(hào),并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的力矩指令信號(hào)完成力矩伺服跟蹤[2]。

圖 2給出了典型的單通道力 (力矩)加載器工作原理。由圖 2可見,舵機(jī)系統(tǒng)是加載對(duì)象,加載系統(tǒng)按照力函數(shù)發(fā)生器的指令對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)加載。電機(jī)軸與舵機(jī)馬達(dá)軸通過力矩傳感器剛性連接。在舵機(jī)輸入指令信號(hào)瞬間,加載系統(tǒng)的輸入信號(hào) Ur=0,力矩電機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài),但尚未轉(zhuǎn)動(dòng)。在舵機(jī)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)作用下,力矩傳感器輸出多余力矩信號(hào) Uf(Uf≠0),并將其反饋給加載系統(tǒng),由加載控制器輸出,經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)加載,使力矩電機(jī)軸與舵機(jī)一起運(yùn)動(dòng)。舵機(jī)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生角位移θf,其信號(hào)經(jīng)電光學(xué)編碼器測(cè)量輸出,再經(jīng)函數(shù)發(fā)生器變換成加載系統(tǒng)的輸入力矩信號(hào),此時(shí),Ur=KUf(θf)。加載系統(tǒng)在 Ur和 Uf共同作用下通過加載控制器控制加載力矩電機(jī)對(duì)舵機(jī)加載。

圖 2 系統(tǒng)工作原理Fig.2 System work principle

3 控制策略

電動(dòng)式操縱負(fù)荷系統(tǒng)采用直驅(qū)力矩電機(jī)加載。根據(jù)直驅(qū)伺服電機(jī)的力矩控制特點(diǎn),采用雙環(huán)與多余力矩補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制策略,即外環(huán)采用力閉環(huán)P ID控制,內(nèi)環(huán)采用電流環(huán) PI控制,多余力矩采用速度補(bǔ)償法[3]。系統(tǒng)控制框圖如圖 3所示。

圖 3 系統(tǒng)控制框圖Fig.3 System control diagram

3.1 力閉環(huán) PI D控制

力閉環(huán)利用電壓信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩?？刂七^程中,反饋信號(hào)由力矩傳感器檢測(cè),經(jīng)變送器形成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào),再由采集卡輸入上位機(jī) (工控機(jī))。力矩控制器采用數(shù)字 P ID控制器。它將偏差信號(hào)的比例、積分、微分各分量線性組合成控制量,以控制被控對(duì)象,實(shí)現(xiàn)數(shù)字 P ID控制。傳遞函數(shù)為

式中:Kp——比例系數(shù);

Ti——積分時(shí)間常數(shù);

Td——微分時(shí)間常數(shù);

S ——復(fù)變量。

力閉環(huán) P ID控制比例環(huán)節(jié)成比例反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào),偏差一旦產(chǎn)生,控制器即產(chǎn)生控制作用。積分環(huán)節(jié)主要消除靜差,提高系統(tǒng)的無差度。微分環(huán)節(jié)主要反映偏差信號(hào)的變化規(guī)律,在系統(tǒng)偏差信號(hào)變大之前引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào),以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,減少調(diào)節(jié)時(shí)間,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 電流環(huán) PI控制

直驅(qū)力矩電機(jī)全電壓?jiǎn)?dòng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流。為使電流低于允許值,在系統(tǒng)中加入電流環(huán),并引入電流負(fù)反饋控制即 PI控制。傳遞函數(shù)為

電流環(huán) PI控制比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的作用與力閉環(huán) P ID控制相同。系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)的響應(yīng)頻帶在 1 kHz以上。為充分利用電機(jī)允許過載能力,在過渡過程中,電流一直保持最大值,使系統(tǒng)盡可能以大的加 (減)速度起 (制)動(dòng),以獲得快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在穩(wěn)態(tài)時(shí),電流立即降下來,使電機(jī)的電磁力矩與負(fù)載力矩相平衡,從而獲得較大的系統(tǒng)響應(yīng)頻寬[4]。

3.3 多余力矩補(bǔ)償

電動(dòng)力矩加載器是典型的位置擾動(dòng)型力矩伺服系統(tǒng)。加載系統(tǒng)由于受到舵面系統(tǒng)的強(qiáng)位置干擾而輸出很大的擾動(dòng)力矩,即多余力矩[5]。它嚴(yán)重影響電動(dòng)力加載器的加載準(zhǔn)確度。多余力距的大小與舵機(jī)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)角速度成正比。因此,文中采用角速度補(bǔ)償消除多余力矩。由圖 2可知,在力加載系統(tǒng)中,實(shí)際運(yùn)動(dòng)角速度由安裝在舵機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)軸上的光電編碼器得到,并由測(cè)速板檢測(cè)出后輸入給加載系統(tǒng)的力矩電機(jī),使加載力矩電機(jī)與舵機(jī)保持同步,以達(dá)到消除多余力矩的目的。角速度補(bǔ)償消除多余力矩控制原理如圖 4所示。

圖 4 角速度補(bǔ)償消除多余力矩控制原理Fig.4 Speed compensation el im inate redundant torque control principle

4 仿 真

采用MATLAB/Simulink軟件仿真分別加入力閉環(huán) P ID控制、電流環(huán) PI控制后的系統(tǒng)性能,如圖5、6所示。由力矩跟蹤曲線 (圖 5)可以看出,加入力閉環(huán)后系統(tǒng)力矩的期望值與實(shí)際值更接近,超調(diào)量減小,相位滯后明顯改善,跟隨性能較好。

由系統(tǒng)階躍響應(yīng)函數(shù)曲線 (圖 6)可以看出,電流負(fù)反饋 PI控制與常規(guī)控制相比,參數(shù)調(diào)整快,超調(diào)量小,系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動(dòng)靜態(tài)性能高。

圖 7顯示了角速度法消除多余力矩的效果。從圖中可以看出,補(bǔ)償前多余力矩變化區(qū)間為 -4～4 N·m,補(bǔ)償后下降到 -0.5～0.5 N·m,下降了90%。可見,角速度法可有效減小多余力矩。

取加載力矩幅值為 8 N·m,頻率為 8 Hz,時(shí)間為4 s,利用VC測(cè)試軟件檢測(cè)采用雙環(huán)和多余力矩補(bǔ)償復(fù)合控制策略的系統(tǒng)的力矩變化情況,如圖 8所示。

由圖 8可見,力矩實(shí)際值與期望值相比,幅值變化了 -0.13%～0.13%,相角滯后 1.44°。兩者跟蹤誤差為 2.48%,說明實(shí)際力矩跟蹤效果較好。

綜上所述,力閉環(huán) P ID控制、電流環(huán) PI控制與多余力矩補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制略可以有效消除飛行器電動(dòng)式操縱負(fù)荷系統(tǒng)多余力矩,控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

5 結(jié)束語

操縱系統(tǒng)的控制策略是力伺服系統(tǒng)加載的關(guān)鍵技術(shù)。筆者結(jié)合飛機(jī)模擬器電動(dòng)式操縱負(fù)荷加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理,提出采用上位機(jī)力閉環(huán)、電流環(huán)控制與多余力矩補(bǔ)償相結(jié)合的復(fù)合控制策略。仿真結(jié)果驗(yàn)證了復(fù)合控制策略消除多余力矩的有效性。該研究可為構(gòu)建飛機(jī)模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)樣機(jī)提供理論支持。

[1] 劉長(zhǎng)華,徐亞軍.應(yīng)用于飛行模擬器的電動(dòng)伺服加載系統(tǒng)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,19(5):38-40.

[2] 張 靖,劉少強(qiáng).檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:中國電力出版社,2002.

[3] 鄒海峰,孫 力,閻 杰.飛行器舵機(jī)電動(dòng)伺服加載系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2004,16(4):657-659.

[4] 徐小英,王 林.RT-LAB快速控制原型在隨動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(4):1 055-1 057.

[5] 劉長(zhǎng)華.飛行模擬器數(shù)字式操縱負(fù)荷系統(tǒng)的仿真及實(shí)現(xiàn)[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào),2005,16(3):11-13.

(編輯 荀海鑫)

Control strategies of electric powered control load ing system in flight s imulator

FU Jiacai1, L IU X ianhua1,2, MA Tianchu2
(1.College of Electric&Infor mation Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China;2.Harbin Institute of Flight Simulation Technology,Harbin 150001,China)

T M921.541

A

1671-0118(2010)05-0367-04

2010-08-24

付家才 (1954-),男,山東省肥城人,教授,研究方向:現(xiàn)代礦山電氣控制,E-mail:fjc5404@163.com。