作者簡介：任雅廣（1969—），男，江蘇沭陽人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：船舶機電管理及控制；王校鋒（1979—），男，浙江紹興人，工程師，碩士研究生，研究方向：船舶機電管理及控制（E-mail：yyt_hehe169@163.com）。

摘要：針對用于風擾模擬的力加載器系統(tǒng)，設(shè)計以DSP為核心的數(shù)字控制器。在傳統(tǒng)的位置伺服控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計力反饋控制回路，同時使用前饋補償抑制由于承載對象運動而導(dǎo)致的多余力。使用粒子群算法進行控制器參數(shù)整定。試驗結(jié)果表明，該力加載器能夠進行有效地進行各種類型的風擾模擬，具有較高的控制精度和響應(yīng)速度，能夠良好的克服多余力干擾。

關(guān)鍵詞：力加載；風擾模擬；PID控制；粒子群算法

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

1引言地面半實物仿真是控制系統(tǒng)研制過程中的重要步驟，是驗證控制系統(tǒng)性能和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。力加載器是一種在實驗室環(huán)境下模擬被控系統(tǒng)的負荷或擾動的物理效應(yīng)設(shè)備。在飛行器研制過程中，為了在地面上模擬飛行器實際飛行時的舵面鉸鏈力矩，通常設(shè)計力矩模擬器[1-5]。另外在風力發(fā)電、艦載設(shè)備等室外裝置的研制中，為了模擬自然界的風擾動，也需要研制設(shè)計能夠模擬自然界風擾的力加載系統(tǒng)[6，7]。

力矩加載器和力加載器都數(shù)據(jù)負載模擬器的范疇。常見的負載模擬器有電液負載模擬器、電動負載模擬器、氣動負載模擬器等類型。其中電動負載模擬器具有體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，而被廣泛研究使用。

承載對象的運動對于力加載器而言，是一種嚴重的外部干擾，會產(chǎn)生的多余的控制力，因此多余力抑制問題一直是力加載器研制中的難點[8，9]。本文針對一款電動力加載器進行了控制系統(tǒng)設(shè)計，包括控制系統(tǒng)的硬件組成，控制策略和控制律設(shè)計，以及多余力消除方法和控制參數(shù)優(yōu)化等問題的研究。

2力加載器系統(tǒng)構(gòu)成

力加載器由電動作動裝置和控制系統(tǒng)組成。電動作動裝置由電機、減速箱、齒輪傳動付、滾珠絲桿、直線電位器和推拉力傳感器等六部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機產(chǎn)生拖動動力，采用減速齒輪和滾珠絲桿轉(zhuǎn)換成線性位移，可實現(xiàn)輸出桿的直線運動，通過球形軸頭與被加載體連接，加載力沿絲桿軸線輸出。電動作動裝置以硬鋁材料為外殼，在保證足夠的強度和剛度的同時，具有較輕的重量。整個裝置采用二點裝夾方式固定在基座上，具有良好的穩(wěn)定性。

力加載器的控制系統(tǒng)由數(shù)字控制器、上位計算機、傳感器等部件組成，組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

采用高精度直線電位器作為位移反饋，以推拉力傳感器為力反饋裝置，并通過串行接口從上位機獲得被承載對象的運動信號，通過控制計算機系統(tǒng)以數(shù)字控制方式實現(xiàn)加載力的精確控制。

在該力加載器的設(shè)計中，控制計算機采用以TMS320F28335芯片為核心的嵌入式控制器。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，18路的PWM輸出， 12位16通道ADC，2通道CAN 2.0B總線接口，3路帶有16級FIFO的全雙工異步串口等配置，能夠滿足力加載器的控制需求。

根據(jù)力加載器的最大加載力和最大速度的要求，選用直流力矩電機為拖動裝置，采用PWM功率伺服放大器實現(xiàn)加載力及其運動的控制。最大加載力與拖動電機的功率是最大角加速度、最大角速度、動態(tài)指標等能否實現(xiàn)的關(guān)鍵，同時也影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此電機選擇是力加載器設(shè)計中的重點內(nèi)容。直流力矩電機的特點是可堵轉(zhuǎn)輸出，力矩大，空載轉(zhuǎn)速高，具有一定的過載能力，扭矩重量比大，還具有反應(yīng)速度快、外特性線性度好、諧振頻率高等優(yōu)點，從而能滿足力加載器的加載力和動態(tài)精度的要求。力加載器輸出功率計算公式為：

式中，W為輸出功率，F(xiàn)為加載力，V為最大速度。已知最大加載力為1000N，最大移動速度80mm/s，則最大輸出功率為80W。考慮滾珠絲桿傳動效率為0.85，則：

同時需要考慮到電源電壓的波動以及其它不可預(yù)見因素，因此電機的拖動功率應(yīng)不小于90W。在此選擇包頭電機研究所生產(chǎn)的90LYX-02直流力矩電機，其最大功率為100W，最大空載轉(zhuǎn)速1500rpm，峰值堵轉(zhuǎn)力矩1200mN·m，連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩900mN·m，能夠滿足性能要求。

選用美國COPLEY公司研制的412CE型模擬驅(qū)動器作為電機的功率放大裝置，該驅(qū)動器能夠提供10A的持續(xù)電流輸出和20A的峰值電流輸出，電源電壓范圍24～90V，具有較好的驅(qū)動能力和包括輸出短路、過/欠壓及過溫保護的故障保護功能，集成度高且便于使用維護。

3力加載器控制系統(tǒng)

在力加載器的實際使用中，承載對象作主動運動，加載器跟隨承載對象運動，同時對承載對象施加力或力矩。因此對于加載器而言，承載對象的運動是一種外部干擾，力加載器的控制器要求能夠良好地跟隨加載力指令的同時，還能夠有效抑制由于承載對象運動而產(chǎn)生的多余力。

3.1數(shù)學(xué)建模

對直流電機施加電樞電壓Ua后，在電樞回路產(chǎn)生電樞電流Ia，進而與勵磁磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，拖動電機軸轉(zhuǎn)動，再經(jīng)過齒輪傳動輸出線運動，即電機的實質(zhì)是將輸入的電能轉(zhuǎn)化為機械能的過程。直流力矩電機電樞回路的電路方程為：

式中：E為反向電動勢，Ke為反向電動勢系數(shù)，m為電機轉(zhuǎn)子角速度，Ra為電樞電阻。電機的力矩Tm與電樞電流成正比：

同時，不考慮摩擦負載的電機系統(tǒng)力矩平衡方程為：

式中：bm為電機粘性阻尼系數(shù)，

對負載端的微分方程進行分析，由牛頓定理可得

再根據(jù)虎克定理可得，負載端的扭矩為：

在力加載器中，通過齒輪傳動和滾珠絲桿將電機轉(zhuǎn)子的角運動轉(zhuǎn)換為絲桿的線運動，同時將力矩輸出轉(zhuǎn)換為力輸出，因此輸出力FL為：

3.2控制回路設(shè)計

力加載器的控制主要由控制計算機實現(xiàn)，傳感器輸出信號經(jīng)過調(diào)理之后進入控制計算機，控制計算機根據(jù)給定值與反饋信號比較，經(jīng)過控制律解算，得到需要輸出的控制指令?？刂浦噶钤俳?jīng)功率放大之后，控制電機的轉(zhuǎn)動。

傳統(tǒng)的位置伺服系統(tǒng)，一般是由電流反饋、速度反饋、位置反饋構(gòu)成的多回路控制系統(tǒng)。電流反饋和速度反饋可以起到提高系統(tǒng)剛度，擴寬頻響范圍，增大系統(tǒng)阻尼等作用。本文在傳統(tǒng)的位置伺服控制的基礎(chǔ)上，進一步構(gòu)建了力反饋回路。力反饋回路是位置回路的外回路，以系統(tǒng)的力給定值為輸入，以加載器的實際力輸出為反饋。

PID控制是工程實踐中應(yīng)用最為廣泛的控制方法，具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，易實現(xiàn)等優(yōu)點。因此在力加載器的各個控制回路均采用PID控制律，其中力反饋回路回路和位置反饋回路控制器在數(shù)字計算機之中實現(xiàn)，速度反饋通過模擬電路實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)回路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中G1（s），G2（s），G3（s）分別為力反饋控制器、位置控制器和速度控制器，G4（s）、G5（s）為前饋補償環(huán)節(jié)，Gl（s）為位置干擾模型。

3.3多余力抑制

力加載器的使用方式分為主動加載和被動加載兩種。主動加載時，承載對象為靜止不動，不存在多余力干擾。被動加載的情況下，力加載器需要在跟隨承載對象運動的同時，對其施加預(yù)定的力，因此承載對象的運動是相對于力加載器的外部干擾，會導(dǎo)致多余力的產(chǎn)生，進而影響力加載的精確性和快速性，使系統(tǒng)產(chǎn)生了相位滯后。引入前饋補償環(huán)節(jié)來提高控制系統(tǒng)品質(zhì)，抑制擾動影響，消除多余力。

在承載對象運動特性已知的情況下，可以將承載對象的運動指令施加到力加載器的前饋補償環(huán)節(jié)。由于力加載器能夠在承載對象響應(yīng)運動之前，就獲知承載對象的運動特征，因此這種前饋補償方式具有明顯的超前性，優(yōu)于以傳感器輸出作為補償源的前饋控制方法。

3.4參數(shù)優(yōu)化

PID控制器參數(shù)整定是PID控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在力加載控制器的多個回路采用了多個PID控制器，其參數(shù)的更為復(fù)雜，本文采用粒子群算法進行PID控制器參數(shù)尋優(yōu)。

粒子群算法是一種模擬鳥群飛行行為的智能優(yōu)化方法。將問題的解表示為粒子，通過迭代搜尋的方式實現(xiàn)粒子在解空間追隨最優(yōu)的粒子進行搜索。在每次迭代中，粒子通過跟蹤個體極值pbest和全局極值gbest實現(xiàn)自身的更新。個體極值是粒子本身目前找到的最優(yōu)解；全局極值是整個種群目前找到的最優(yōu)解。粒子的更新分為速度更新和位置更新：

4風擾模型

力加載器可以根據(jù)控制指令，進行相應(yīng)的力輸出。自然界中的風擾動一般可以分為常值風和陣風兩種情況。常值風可通過單向限幅函數(shù)模擬，陣風在短時間內(nèi)表現(xiàn)為沖擊變化的特征，可以用下式表述：

5仿真試驗

給定力加載信號是幅值為200N，頻率為0.1Hz的余弦信號。采用文中控制方法力加載器的控制輸入與實際輸出結(jié)果如圖5所示，加載過程中產(chǎn)生的多余力如圖6所示。

由圖5和圖6可知，力加載器的實際輸出能夠良好的跟隨指令要求，加載過程中產(chǎn)生的最大多余力為1.38牛。從而說明該控制器能夠很好的消除外界干擾導(dǎo)致的多余力，控制精度符合系統(tǒng)設(shè)計要求。圖7為未采用前饋補償時的力加載多余力，通過對比可知，通過前饋補償環(huán)節(jié)的超前調(diào)節(jié)作用，有效地抑制了多余力的產(chǎn)生。

6總結(jié)

對一種用于風擾模擬的力加載器進行了控制系統(tǒng)設(shè)計，控制器以DSP為核心單元，以拉壓力傳感器、測速電機等為反饋元件。在傳統(tǒng)的電機位置控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計了力反饋控制回路，同時使用前饋補償抑制由于承載對象運動而導(dǎo)致的多余力，并使用粒子群算法進行控制器參數(shù)整定。試驗結(jié)果表明，該力加載器能夠進行有效地進行各種類型的風擾模擬，具有較高的控制精度和響應(yīng)速度，能夠良好的克服多余力干擾。

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