李培艷等

摘要：為研究探測器對空中飛行物體的探測、識別、跟蹤等功能，建立一個(gè)空中飛行目標(biāo)的模擬系統(tǒng)，并以鋼絲繩實(shí)現(xiàn)其傳動(dòng)與荷載。從計(jì)算鋼絲繩的張緊力入手，設(shè)計(jì)出能夠適應(yīng)大懸掛的安全運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；同時(shí)設(shè)計(jì)出模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制方法，推導(dǎo)出控制量的計(jì)算公式，為系統(tǒng)的高精度控制提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：懸掛載荷；大跨距；下垂度；張緊力

中圖分類號：U445.32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to study the functions of probe including probing flying subjects in the air and recognizing and tracking， a simulation system of flying subjects needs to be built， and transmitting and loading depend on wire ropes. So the tensile stress of wire rope was calculated based on the purpose of designing a safe movement system that applies to heavy load. The movement control method for the simulation system was designed， and the calculation formula for control parameter was deduced， which provides a theoretical basis for high precision control of the system.

Key words： hanging load； large span； sag； tensile stress

0引言

本文基于為某探測器所研制的戶外試驗(yàn)配套設(shè)備，建立一個(gè)空中飛行目標(biāo)的模擬系統(tǒng)，并通過改變模擬目標(biāo)的大小、外觀特征、運(yùn)動(dòng)速度等來檢驗(yàn)探測器對不同目標(biāo)探測的精度。將模擬目標(biāo)視為一個(gè)質(zhì)量為30 kg的懸掛載荷，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)跨距70 m，最高速度達(dá)到5 m·s-1，速度精度優(yōu)于001 m·s-1，運(yùn)動(dòng)軌跡為水平直線。如果采用傳統(tǒng)的剛性機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，很難滿足該設(shè)備對運(yùn)動(dòng)跨距、載荷高度、背景遮蓋的要求。因此，本文選擇鋼絲繩作為運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)工具，重點(diǎn)研究如何實(shí)現(xiàn)懸掛載荷的高精度、大跨距、高速水平運(yùn)動(dòng)，其難點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

（1） 如何控制張緊力，并在大張緊力的情況下實(shí)現(xiàn)載荷的高速高精度運(yùn)動(dòng)。

（2） 鋼絲繩兩端使用滾筒收放，在自動(dòng)排繩模式下，如何使鋼絲繩始終整齊地纏繞在滾筒上。

（3） 如何在大跨距、重載荷、高速度的條件下實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)的高精度控制。

1鋼絲繩張緊力計(jì)算

要實(shí)現(xiàn)鋼絲繩懸掛載荷做水平軌跡運(yùn)動(dòng)，首先要限制鋼絲繩的懸垂度。鋼絲繩的懸垂度由鋼絲繩所受的張緊力和載荷重力共同決定，將鋼絲繩視為沒有剛性的懸鏈線，將探測器視為載荷，其在A、B兩點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以簡化為圖1。

承重鋼絲繩的一端連接一臺普通異步電機(jī)，另一端連接一個(gè)1 400 kg的配重，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)承重鋼絲繩將配重提離地面后，鋼絲繩即受到14 kN的恒定張力而張緊。承重鋼絲繩同時(shí)作為載荷的運(yùn)動(dòng)軌道，載荷與承重鋼絲繩之間使用滾動(dòng)接口連接。

牽引鋼絲繩中間固定在載荷上，兩端通過滑輪纏繞在滾筒上，滾筒由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在滾筒前加張力阻尼器和拉力傳感器，檢測鋼絲繩的拉力，同時(shí)不斷調(diào)整牽引鋼絲繩的預(yù)緊力，避免自動(dòng)繞繩時(shí)出現(xiàn)亂繞或斷裂的情況。

工作時(shí)，先啟動(dòng)異步電機(jī)將配重拉起以張緊承重鋼絲繩。然后將伺服電機(jī)B設(shè)置為力矩模式，力矩方向?yàn)閺埦o鋼絲繩方向；將伺服電機(jī)A設(shè)置為位置模式，慢速由B向A方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到拉力傳感器的拉力值達(dá)到要求，停止伺服電機(jī)，這樣牽引鋼絲繩就得到了預(yù)緊力。載荷由A向B運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩臺電機(jī)均工作在位置模式下，將B電機(jī)設(shè)置為主動(dòng)電機(jī)，A電機(jī)設(shè)置為從動(dòng)電機(jī)，控制B電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，A電機(jī)跟隨B電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。載荷由B向A方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，將A電機(jī)設(shè)置為主動(dòng)電機(jī)，B電機(jī)設(shè)置為從動(dòng)電機(jī)。當(dāng)目標(biāo)需要從高空放下時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)異步電機(jī)，慢慢放下承重鋼絲繩，將伺服電機(jī)A設(shè)置為力矩模式，自動(dòng)適應(yīng)載荷的重力跟隨異步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)放下牽引鋼絲繩。

3控制方法研究

3.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)具有速度精確、位置精度高、控制靈活、反應(yīng)快等特點(diǎn)，因此本文選用伺服電機(jī)作為執(zhí)行原件。由于很難測量載荷的實(shí)際位置和速度，所以本系統(tǒng)采用電機(jī)編碼器反饋的半閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)原理如圖3所示。

4結(jié)語

根據(jù)系統(tǒng)要求計(jì)算出鋼絲繩的張力，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了成本較低又安全可靠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，并說明了系統(tǒng)的工作方法。設(shè)計(jì)了總線控制系統(tǒng)，推導(dǎo)出PID加速度前饋控制的控制量計(jì)算公式，并設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的控制流程圖。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜廣智，孫志國.懸鏈線方程在單跨單荷重懸索中的應(yīng)用[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，2（1）：3840.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].第5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3]李志洲，鄭民欣，王錦錦，等.基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的三軸伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012，2（2）：6365，71.

[4]郝雙輝，蔡一，鄭偉峰，等.基于前饋控制的交流伺服系統(tǒng)高速定位控制[J].微特電機(jī)，2010（2）：3537，40.

[責(zé)任編輯：譚忠華]endprint

摘要：為研究探測器對空中飛行物體的探測、識別、跟蹤等功能，建立一個(gè)空中飛行目標(biāo)的模擬系統(tǒng)，并以鋼絲繩實(shí)現(xiàn)其傳動(dòng)與荷載。從計(jì)算鋼絲繩的張緊力入手，設(shè)計(jì)出能夠適應(yīng)大懸掛的安全運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；同時(shí)設(shè)計(jì)出模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制方法，推導(dǎo)出控制量的計(jì)算公式，為系統(tǒng)的高精度控制提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：懸掛載荷；大跨距；下垂度；張緊力

中圖分類號：U445.32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to study the functions of probe including probing flying subjects in the air and recognizing and tracking， a simulation system of flying subjects needs to be built， and transmitting and loading depend on wire ropes. So the tensile stress of wire rope was calculated based on the purpose of designing a safe movement system that applies to heavy load. The movement control method for the simulation system was designed， and the calculation formula for control parameter was deduced， which provides a theoretical basis for high precision control of the system.

Key words： hanging load； large span； sag； tensile stress

0引言

本文基于為某探測器所研制的戶外試驗(yàn)配套設(shè)備，建立一個(gè)空中飛行目標(biāo)的模擬系統(tǒng)，并通過改變模擬目標(biāo)的大小、外觀特征、運(yùn)動(dòng)速度等來檢驗(yàn)探測器對不同目標(biāo)探測的精度。將模擬目標(biāo)視為一個(gè)質(zhì)量為30 kg的懸掛載荷，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)跨距70 m，最高速度達(dá)到5 m·s-1，速度精度優(yōu)于001 m·s-1，運(yùn)動(dòng)軌跡為水平直線。如果采用傳統(tǒng)的剛性機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，很難滿足該設(shè)備對運(yùn)動(dòng)跨距、載荷高度、背景遮蓋的要求。因此，本文選擇鋼絲繩作為運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)工具，重點(diǎn)研究如何實(shí)現(xiàn)懸掛載荷的高精度、大跨距、高速水平運(yùn)動(dòng)，其難點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

（1） 如何控制張緊力，并在大張緊力的情況下實(shí)現(xiàn)載荷的高速高精度運(yùn)動(dòng)。

（2） 鋼絲繩兩端使用滾筒收放，在自動(dòng)排繩模式下，如何使鋼絲繩始終整齊地纏繞在滾筒上。

（3） 如何在大跨距、重載荷、高速度的條件下實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)的高精度控制。

1鋼絲繩張緊力計(jì)算

要實(shí)現(xiàn)鋼絲繩懸掛載荷做水平軌跡運(yùn)動(dòng)，首先要限制鋼絲繩的懸垂度。鋼絲繩的懸垂度由鋼絲繩所受的張緊力和載荷重力共同決定，將鋼絲繩視為沒有剛性的懸鏈線，將探測器視為載荷，其在A、B兩點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以簡化為圖1。

承重鋼絲繩的一端連接一臺普通異步電機(jī)，另一端連接一個(gè)1 400 kg的配重，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)承重鋼絲繩將配重提離地面后，鋼絲繩即受到14 kN的恒定張力而張緊。承重鋼絲繩同時(shí)作為載荷的運(yùn)動(dòng)軌道，載荷與承重鋼絲繩之間使用滾動(dòng)接口連接。

牽引鋼絲繩中間固定在載荷上，兩端通過滑輪纏繞在滾筒上，滾筒由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在滾筒前加張力阻尼器和拉力傳感器，檢測鋼絲繩的拉力，同時(shí)不斷調(diào)整牽引鋼絲繩的預(yù)緊力，避免自動(dòng)繞繩時(shí)出現(xiàn)亂繞或斷裂的情況。

工作時(shí)，先啟動(dòng)異步電機(jī)將配重拉起以張緊承重鋼絲繩。然后將伺服電機(jī)B設(shè)置為力矩模式，力矩方向?yàn)閺埦o鋼絲繩方向；將伺服電機(jī)A設(shè)置為位置模式，慢速由B向A方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到拉力傳感器的拉力值達(dá)到要求，停止伺服電機(jī)，這樣牽引鋼絲繩就得到了預(yù)緊力。載荷由A向B運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩臺電機(jī)均工作在位置模式下，將B電機(jī)設(shè)置為主動(dòng)電機(jī)，A電機(jī)設(shè)置為從動(dòng)電機(jī)，控制B電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，A電機(jī)跟隨B電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。載荷由B向A方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，將A電機(jī)設(shè)置為主動(dòng)電機(jī)，B電機(jī)設(shè)置為從動(dòng)電機(jī)。當(dāng)目標(biāo)需要從高空放下時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)異步電機(jī)，慢慢放下承重鋼絲繩，將伺服電機(jī)A設(shè)置為力矩模式，自動(dòng)適應(yīng)載荷的重力跟隨異步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)放下牽引鋼絲繩。

3控制方法研究

3.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)具有速度精確、位置精度高、控制靈活、反應(yīng)快等特點(diǎn)，因此本文選用伺服電機(jī)作為執(zhí)行原件。由于很難測量載荷的實(shí)際位置和速度，所以本系統(tǒng)采用電機(jī)編碼器反饋的半閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)原理如圖3所示。

4結(jié)語

根據(jù)系統(tǒng)要求計(jì)算出鋼絲繩的張力，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了成本較低又安全可靠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，并說明了系統(tǒng)的工作方法。設(shè)計(jì)了總線控制系統(tǒng)，推導(dǎo)出PID加速度前饋控制的控制量計(jì)算公式，并設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的控制流程圖。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜廣智，孫志國.懸鏈線方程在單跨單荷重懸索中的應(yīng)用[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，2（1）：3840.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].第5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3]李志洲，鄭民欣，王錦錦，等.基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的三軸伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012，2（2）：6365，71.

[4]郝雙輝，蔡一，鄭偉峰，等.基于前饋控制的交流伺服系統(tǒng)高速定位控制[J].微特電機(jī)，2010（2）：3537，40.

[責(zé)任編輯：譚忠華]endprint

摘要：為研究探測器對空中飛行物體的探測、識別、跟蹤等功能，建立一個(gè)空中飛行目標(biāo)的模擬系統(tǒng)，并以鋼絲繩實(shí)現(xiàn)其傳動(dòng)與荷載。從計(jì)算鋼絲繩的張緊力入手，設(shè)計(jì)出能夠適應(yīng)大懸掛的安全運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；同時(shí)設(shè)計(jì)出模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制方法，推導(dǎo)出控制量的計(jì)算公式，為系統(tǒng)的高精度控制提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：懸掛載荷；大跨距；下垂度；張緊力

中圖分類號：U445.32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to study the functions of probe including probing flying subjects in the air and recognizing and tracking， a simulation system of flying subjects needs to be built， and transmitting and loading depend on wire ropes. So the tensile stress of wire rope was calculated based on the purpose of designing a safe movement system that applies to heavy load. The movement control method for the simulation system was designed， and the calculation formula for control parameter was deduced， which provides a theoretical basis for high precision control of the system.

Key words： hanging load； large span； sag； tensile stress

0引言

本文基于為某探測器所研制的戶外試驗(yàn)配套設(shè)備，建立一個(gè)空中飛行目標(biāo)的模擬系統(tǒng)，并通過改變模擬目標(biāo)的大小、外觀特征、運(yùn)動(dòng)速度等來檢驗(yàn)探測器對不同目標(biāo)探測的精度。將模擬目標(biāo)視為一個(gè)質(zhì)量為30 kg的懸掛載荷，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)跨距70 m，最高速度達(dá)到5 m·s-1，速度精度優(yōu)于001 m·s-1，運(yùn)動(dòng)軌跡為水平直線。如果采用傳統(tǒng)的剛性機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，很難滿足該設(shè)備對運(yùn)動(dòng)跨距、載荷高度、背景遮蓋的要求。因此，本文選擇鋼絲繩作為運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)工具，重點(diǎn)研究如何實(shí)現(xiàn)懸掛載荷的高精度、大跨距、高速水平運(yùn)動(dòng)，其難點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

（1） 如何控制張緊力，并在大張緊力的情況下實(shí)現(xiàn)載荷的高速高精度運(yùn)動(dòng)。

（2） 鋼絲繩兩端使用滾筒收放，在自動(dòng)排繩模式下，如何使鋼絲繩始終整齊地纏繞在滾筒上。

（3） 如何在大跨距、重載荷、高速度的條件下實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)的高精度控制。

1鋼絲繩張緊力計(jì)算

要實(shí)現(xiàn)鋼絲繩懸掛載荷做水平軌跡運(yùn)動(dòng)，首先要限制鋼絲繩的懸垂度。鋼絲繩的懸垂度由鋼絲繩所受的張緊力和載荷重力共同決定，將鋼絲繩視為沒有剛性的懸鏈線，將探測器視為載荷，其在A、B兩點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以簡化為圖1。

承重鋼絲繩的一端連接一臺普通異步電機(jī)，另一端連接一個(gè)1 400 kg的配重，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)承重鋼絲繩將配重提離地面后，鋼絲繩即受到14 kN的恒定張力而張緊。承重鋼絲繩同時(shí)作為載荷的運(yùn)動(dòng)軌道，載荷與承重鋼絲繩之間使用滾動(dòng)接口連接。

牽引鋼絲繩中間固定在載荷上，兩端通過滑輪纏繞在滾筒上，滾筒由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在滾筒前加張力阻尼器和拉力傳感器，檢測鋼絲繩的拉力，同時(shí)不斷調(diào)整牽引鋼絲繩的預(yù)緊力，避免自動(dòng)繞繩時(shí)出現(xiàn)亂繞或斷裂的情況。

工作時(shí)，先啟動(dòng)異步電機(jī)將配重拉起以張緊承重鋼絲繩。然后將伺服電機(jī)B設(shè)置為力矩模式，力矩方向?yàn)閺埦o鋼絲繩方向；將伺服電機(jī)A設(shè)置為位置模式，慢速由B向A方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到拉力傳感器的拉力值達(dá)到要求，停止伺服電機(jī)，這樣牽引鋼絲繩就得到了預(yù)緊力。載荷由A向B運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩臺電機(jī)均工作在位置模式下，將B電機(jī)設(shè)置為主動(dòng)電機(jī)，A電機(jī)設(shè)置為從動(dòng)電機(jī)，控制B電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，A電機(jī)跟隨B電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。載荷由B向A方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，將A電機(jī)設(shè)置為主動(dòng)電機(jī)，B電機(jī)設(shè)置為從動(dòng)電機(jī)。當(dāng)目標(biāo)需要從高空放下時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)異步電機(jī)，慢慢放下承重鋼絲繩，將伺服電機(jī)A設(shè)置為力矩模式，自動(dòng)適應(yīng)載荷的重力跟隨異步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)放下牽引鋼絲繩。

3控制方法研究

3.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)具有速度精確、位置精度高、控制靈活、反應(yīng)快等特點(diǎn)，因此本文選用伺服電機(jī)作為執(zhí)行原件。由于很難測量載荷的實(shí)際位置和速度，所以本系統(tǒng)采用電機(jī)編碼器反饋的半閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)原理如圖3所示。

4結(jié)語

根據(jù)系統(tǒng)要求計(jì)算出鋼絲繩的張力，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了成本較低又安全可靠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，并說明了系統(tǒng)的工作方法。設(shè)計(jì)了總線控制系統(tǒng)，推導(dǎo)出PID加速度前饋控制的控制量計(jì)算公式，并設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的控制流程圖。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜廣智，孫志國.懸鏈線方程在單跨單荷重懸索中的應(yīng)用[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，2（1）：3840.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].第5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3]李志洲，鄭民欣，王錦錦，等.基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的三軸伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012，2（2）：6365，71.

[4]郝雙輝，蔡一，鄭偉峰，等.基于前饋控制的交流伺服系統(tǒng)高速定位控制[J].微特電機(jī)，2010（2）：3537，40.

[責(zé)任編輯：譚忠華]endprint