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1、 分类号 学号 M201270451 学校代码 10487 密级 硕士学位论文 电动式扭转动刚度测试仪 测控系统 设计与开发 学 位 申 请 人 ： 张伟 学 科 专 业 ： 机械 电子工程 指 导 教 师 ： 陈学东 教授 答 辩 日 期 ： 2015 年 05 月 13 日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Design and Development of Measurement and Control System f
2、or Electrically-Actuated Torsional Dynamic Stiffness Testers Huazhong University of Science and Technology Wuhan, Hubei 430074, P. R. China May, 2015Candidate： Zhang Wei Major ： Mechatronic Engineering Supervisor： Prof. Chen Xuedong 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不
3、包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 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。本人授权华中科技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。 本论文属于 （请在以上方框内打 “”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年
4、 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 扭转 动刚度是 影响 传动 系统 性能 的 关键 因素 ， 而 现 有的 动刚度测试仪 存在 动态加载频率低 、 精度 低、 通用性 差 等问题 。本文 将 扭转动刚度测试仪的测控系统作为研究对象，从测控系统的扭矩加载系统和测试软件系统两个子系统入手进行了深入研究，开发了高性能的 扭转 动刚度测试仪。 为了 设计 扭矩加载子系统 控制 算法 ， 本文 建立 了 电动式扭矩加载系统 的 数学模型 ，深入研究了 系统跟随 特 性和抗干扰性 ， 完成 精确加载 控制算法 设计 。 本文
5、为了改善 加载系统的跟随特性，提高系统快速响应性，采用了 微分先行 PID 控制算法对加载系统进行控制； 为了提高 加载 系统的抗干扰能力，采用了模糊算法对 PID 控制算法进行改进 。 最后对加载系统进行了控制仿真实验，实验证明模糊 PID 控制算法符合测控系统 加载 控制精度为 10%的要求 ， 并且 具有 较强 的 抗干扰能力。 为了开发测试软件子系统，本文以 扭转动刚度 测试方法 为依据编写了测试软件，该软件 可以完成 数据 采集 、 显示和保存。通过分析 动刚度测试过程 ， 指出 测试软件系统的实时性 对 精确 实时闭环加载和 数据采集 的重要性 。本文针对测试软件系统的实时性要求，
6、在 Windows XP 系统 下 设计了基于 C/OS 内核 的实时测试软件，该软件具有通用性，对一般计算机实时测控系统软件的设计具有指导作用。 关键词： 扭转动刚度 测控系统 模糊 PID 控制算法 实时性 II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract Torsional dynamic stiffness is a significant factor which can affect the performance of the transmission system. However, the existing dynamic stiffness teste
7、rs have problems with low dynamic loading frequency, low precision, and poor generality. In this thesis, the measure and control system for the test instrument of torsional dynamic stiffness is taken as the research object. The measure and control system consists of two subsystems: the torque loadin
8、g system and the test software system. A high-performance measure and control system is developed successfully in this thesis. In order to develop the control algorithm for the torque loading system, the mathematical model of the torque loading system is developed. The mathematical model can help to
9、 study the following feature and the ability of anti-interference of the torque loading system. The PID control algorithm is adopted in the system to improve the following feature and high speed responsiveness. In order to improve the ability of anti-interference, the system uses fuzzy PID control a
10、lgorithm. Finally, the control simulation experiment of the loading system was carried out. The results show that the fuzzy PID control algorithm can meet the control accuracy and it also make the system have a better ability of anti-interference. In order to develop the test software system, the te
11、st software is developed based on the principle of torsional dynamic stiffness test. The test software can capture, save and display the data during the test process. The real-time performance of the test software is very important through the analysis of the test process, which needs real-time clos
12、ed-loop control and real-time data acquisition. The software system was designed in Windows XP based on the common used C/OS real-time operation system. The software can play a guidance role in the development of the real-time measure and control system in other fields. Key words: torsional dynamic
13、stiffness; Measurement and control system; Fuzzy PID control; real-time III 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . III 1 绪论 1.1 课题来源 . (1) 1.2 研究背景及意义 . (1) 1.3 关键技术研究现状 . (1) 1.4 主要研究内容 . (7) 1.5 论文章节安排 . (7) 2 扭转动刚度测试仪测控系统方案设计 2.1 前言 . (8) 2.2 测试原理 . (8) 2.3 测控系统性能需求分析 . (11) 2.4
14、系统方案设计 . (11) 2.5 本章小结 . (20) 3 扭矩加载系统控制算法设计 3.1 前言 . (21) 3.2 系统稳定性分析 . (21) 3.3 加载控制算法设计 . (24) 3.4 基于模糊 PID 的抗干扰控制设计 . (26) 3.5 加载系统控制仿真实验 . (28) 3.6 本章小结 . (32) IV 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 测试系统软件开发 4.1 前言 . (33) 4.2 软件实时性分析 . (33) 4.3 软件功能设计 . (37) 4.4 软件模块算法设计与实现 . (40) 4.5 软件测试实验 . (43) 4.6 本
15、章小结 . (47) 5 总结与展望 5.1 全文总结 . (48) 5.2 研究展望 . (48) 致谢 .(50) 参考文献 . (51) 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论 1.1 课题来源 本课题来源于中国 某 研究院 的 委托 项目 “舵机动刚度测试系统开发” 。 1.2 研究背景及 意义 随着飞行器技术的 快速发展， 其安全性 和可靠性 问题 日益突出 ， 各 科研 机构为此 做出了 很多研究。 在 实际的 飞行器实验 中发现， 即使舵机 的 通用参数 满足 要求 的 情况下，飞行器 系统在运行时还是会出现 一些 问题 ， 导致系统不能稳定运行 1。 经过
16、研究 分析发现 ，舵机 的动刚度 特性是 导致问题 的 关键 因素 ，舵机 的动刚度 性能不好 ， 则 会直接 导致整个 飞行 系统的 振动，极易发生 危险 ，舵面 的 嗡鸣现象则是其表现的一种 2。 因此 ， 为了 确保飞行系统的 安全稳定 ， 在 将舵机装入飞行 系统使用之前， 对 舵机 的 动刚度 性能 进行测试， 确保 舵机的 高可靠性具有重大意义 。 飞行器系统 的测试往往 需要多次 的 现场试验 ，而 对于单独的舵机来说，如果在现场进行测试 会 耗资巨大， 而且测试 仪器 的 设计和 测试 过程都会相当复杂。 所以 ， 通常 使用地面半物理 实物 测试 技术 对 飞行器中的单个部件
17、进行测试 。 地面仿真 测试 实验 可以在 实验室中 通过 对 实验 条件的控制，运用 仿真 测试仪 ， 对飞行器需要测试的 环境进行 模拟，可以 进行 多次重复测试，其经济性和效率是现场试验无法比拟的 3。 本文 中，为了节约 舵机的扭转 动刚度测试成本， 对半 物理 实物仿真测试系统 进行了研究， 在 测试过程中 ，使用电动式扭矩加载系统对 飞行器 运行时受到的 外载荷 进行 近似代替 4， 在 受载情况下 ， 舵机系统 会 产生 形变 ， 然后 使用测试 软件 系统 来 测量 该过程 中的相关参数 ，通过 分析可以得到 其 动刚度特性。 1.3 关键技术 研究现状 舵机 扭转 动刚度 测
18、试仪 测控 系统 主要 由 扭矩加载系统和测试软件系统两大子系统组成， 国内外科研 机构 对于 这两 个 部分 所涉及 的主要技术 进行了 深入探讨， 也 取得 了一些具有代表性的成果 。 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.3.1 扭矩加载系统 的 研究现状 扭矩加载 在 科研试验中应用相当广泛， 一般 用于 为 测试仪器或者功能设备 提供 激励 。所以 ， 很多 科研机构对于扭矩 加载一直 进行着研究， 经过 多年的积累， 提出了多种 扭矩加载方式， 一般情况下 可以 概括 为 机械式、电液式和电动式 三大 类 5。 机械式 扭矩加载系统 最早 提出 并 投入 应用 ，
19、 这种 加载方式结构简单、设计 方便 ，但是 不能实现任意函数的 力矩 加载，因此很难 对 真实 载荷进行模拟， 不易于进行控制与应用 6。机械式 加载方式 的实用性 很差，很快就被淘汰 ，研究 人员 池 田 谷 光荣 在 上世纪 提出 了 电液 式 加载系统7， 由于 该 方式 在力矩 的输出和控制方面 具有 很明显的优势 ，很快 得到了广泛的应用 8。最 近 几十年中 ， 随着电子和伺服 技术的快速进步 ， 电动伺服 加载 技术 逐渐成熟， 该加载方式 的 优势有 清洁、 机械 刚度强、 响应 速度快 、加载误差 小 、 易于控制 等 9。 这些 是电液 式 加载方式所无法比拟的 ，因此
20、本文采用电动式扭矩加载方式， 主要 对 其 进行 研究 。 电 动式力矩加载的思想最早由 王明彦 提出来， 其 典型 形 式如 图 1-1 所示，在 系统 运行 时 ， 给定扭矩 加载信号， 通过 直流力矩 伺服 电机 施加 扭矩， 并 通过力矩传感器进行闭环控制， 使得电动 扭矩加载系统 按照 需求输出扭矩 10。 图 1-1 电动式 扭矩加载系统 典型 结构图 近年来 ， 随着 电动加载系统的使用场合越来越多， 其在科研 试验中 的 重要性日渐突出， 国内很多 高校对 电动 加载系统进行了研究，并 取得 了 一些 成果 。 北京航天航空大学 机器人研究所针对 舵机 的 动刚度测试中的力矩
21、精确加载问题，自主设计 了 电动式 扭矩加载系统 11， 该 系统通过 力矩 电机 提供转动扭矩，扭矩传感器进行力矩闭环控制，完成指定扭矩激励信号的加载。 具 体结构 如 图 1-2 所示 。 图 1-2 北京航空航天大学的动刚度测试系统 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 西北工业大学 针对电动式 加载系统 出现 的 在 加载过程中 由于负载运动而不可避免的干扰力矩的 情况 ，提 出了 一种带有 弹性杆 的加载 系统 12， 如 图 1-3 所示 。弹性杆安装在扭矩 加载 部件 与负载 部件 之间，起到一定的缓冲作用 ，从而有效抑制干扰 力矩 ，保证了测试系统 的 稳定性和可
22、靠性 ， 然而 这种 方法 同时 给系统 加入了 缓冲环节 ， 会使得 系统响应 滞后 ， 对整个 系统的动态响应性能 带来 不良影响。 图 1-3 西北工业大学的电动式扭矩加载系统 哈尔滨 工业大学 为航空 工业 集团 某研究所 设计 并开发了一台功率 超大的旋转 舵机加载测试台 13，如 图 1-4 所示。 该加载测试 台采用的是伺服电机 直接 驱动的方式 给 被测舵机施加扭矩 ，通过分辨率 很高的扭矩传感器 对扭转 载荷测量 来完成对扭矩的反馈 控制，然后使用 角度传感器测出 舵机 轴部 产生 的偏转角度， 最后使用 测试软件对采集的数据处理 得到 动刚度参数 。 图 1-4 HPAD-
23、3201 型 旋转舵机加载 台 在上文中 对 现有 的电动式加载系统 的 研究现状进行了分析， 一般 都是采用现有的力矩电机 进行 加载， 然后 通过反馈控制使得加载 激励信号 可控 。因此 ， 关于 扭矩 的 闭环控制算法的 开发也是该领域 研究的热点 。 文献 14提出 了 利用结构不变 性 原理来 减小 加载过程中干扰 力矩 的影响， 保证 加载的精确性 。利用 结构不变 性 原理 来 进行干扰抑制 是 使用较为 广泛 的方法， 它的 设计与具体的研究对象的特性有密切关系， 针对性 很强 。 结构 不变性控制框图如图 1-5 所示 。 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
24、图 1-5 结构 不变性控制框图 文献 15提出了电动式扭矩加载系统的 控制器，该算法可以有效 减小 系统 外部干对系统 的影响，大大 改进了 扭矩 加载 系统 的 跟随 特性 。 文献 16提出 了 基于 神经网络 PID17的 控制方法， 该 控制器 把 传统的 PID 和 神经网络算法 结合起来， 充分发挥 神经网络 算法 对于复杂环境的适应能力和控制自学能力， 提高系统的容错性和 对 环境的 自 适应性， 也很好地去除了干扰 力矩 对扭矩加载 的影响。 神经网络 的 结构 如 图 1-6 所示 。 图 1-6 RBF 神经网络结构图 1.3.2 测试 软件 系统 的 研究现状 舵机 的
25、 动刚度 测试仪测控 系统 的 测试 软件 需要 进行 实时数据 采集及实时反馈控制，因此 ， 如何 构建一个 实时 系统也 是 测控系统 研究 的关键 。 实时系统与 普通的系统不同， 它对于时间 要求很苛刻， 在 工作过程中，不仅要求 系统 运行正常， 产生正确 的结果，而且 要 保证在确定的时刻产生这些结果 18。在 实际的工程项目中， 测控 系统需要按照特定频率进行 信号 的采集和 激励 的 输出，这就 要求 系统 具有实时性。 在 实时 测控系统 具体 实现 方面 ， 由于 方法很多，所以 会 结合实际的 项目 要求进行 选择 ， 国内外 已经在 这方面做出了很多 可 供 参考的 成
26、果。 实时测 控 系统一般有两 大类 方案， 一 类 是 利用一些集成 软件 （如 MATLAB、 LabVIEW 等 ） 的 工具箱 ， 另一 类 是对 Windows 系统进行 实时性 改进或者扩展。 文献 19中 山东 大学的 姜衍猛 使用 MATLAB 的 数据采集 工具箱 对测控系统 进行了开 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 发 ， 该 工具箱提供各种接口，可 以 从外部 仪器 、设备、数据库中读取数据 ， 利用 数据 采集 工具 箱 可以 完成 对 数据采集卡的 接口控制程序 的 设计 20，从而完成 PCI 数据 采集卡与MATLAB 的 数据 通讯 ， 可以
27、 通过 硬件 对 检测信号 进行 实时 采集及 激励 输出 控制 ， 具体 实现 框图如 图 1-7 所示 。 图 1-7 MATLAB 数据 采集框图 文献 21中 西北 工业大学的 吴娟，符芳涌等 使用 Windows XP 操作系统和 Lab windows/CVI 7.0 虚拟仪器 22软件开发平台 对舵机的 动刚度 测控系统 软件进行了 开发 ，在 开发过程 中对 控制结构进行合理安排， 保证了测试 软件 采集 数据的实时性能 以及高 采样频率 ，符合整个 系统的 需求 。 文献 23中 南京 航空 航天大学的 王欢利用 MATLAB 和 LabVIEW 对测控 系统进行了研究， 可
28、以 实现 联合 仿真 。先 在 Simulink 中 对 研究 对象 进行 数学 建模，并利用工具箱将模型转为 C 语言 程序， 然后 使用 动态链接 技术将 程序 与 LabVIEW 无缝连接 24, 25，最终实现仿真 。这种 方法 充分结合 MATLAB 和 LabVIEW 各自 的优势 ，得到了 实时数据采集仿真系统。 该 实时仿真 系统 开发流程如 图 1-8 所示 。 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 1-8 实时仿真系统开发流程 文献 26中 西北 工业大学的 时未东 等 根据 Windows XP 系统 中 关于 线程 的状态 转换及运行 时间分配原则等方
29、面现有的非实时问题 提出 了 对 Windows 进行实时扩展的 方案 。在 商业 应用 实时 软件中 ， RTX 系统 27-29和 INtime 系统是 使用最 多 的 实时 系统软件 ，但这 两个系统的 可移植性 都很差，适用性 有限 。为解决 可移植性 问题， 该文献研究 了一种利用 Windows XP 操作 系统 的 自适应域 进行 改善的实时扩展 30方法 ，该 方法的基本体系结构如 图 1-9 所示 。 图 1-9 实时扩展系统体系结构 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 西安工业学院 的林 小 凡 、 张 声远 等 在 Windows 2000 操作 系统中
30、，利用 WDM 对操作系统 底层的 驱动 进行改进， 开发 了一套从系统 的 底层完成数据的 采集 任务的 测控 软件 ，该软件使用的是 采集卡 的时钟 系统 的内核定时器 ， 具有良好的实时性能。 在 实际的调试中，取得了很好的数据采集及反馈控制效果 31。 通过 对 两大类实时测试 系统的分析发现， 基于 LabVIEW 和 MATLAB 的 实时系统32-34开发简单快捷， 而基于 Windows 系统的实时 测控系统 界面 友好 ，而且 可以用 C 语言进行 底层 的定制开发， 灵活 度好 而且具有很强的可移植 性。 1.4 主要 研究内容 在 舵机 扭转 动刚度测试仪测控系统中， 扭
31、矩加载系统和 测试软件系统是 本文研究 的重点 ， 本文 确定 研究内容如下： 1)对电动式扭矩 加载系统 的 数学 模型 进行 构建 ，设计 了 扭矩加载控制 算法 ， 使 系统具有快速 响应 性 和跟随性， 同时要求 加载系统 具有一定的抗干扰能力； 2)在 Windows XP 系统下 开发测试软件 系统 ，需要具有 良好的人机交互界面和实时性 能 ，能够 完成扭转动刚度的测试 。 1.5 论文 章节安排 本文的 具体章节 内容 的安排如下： 第一章 中 主要 对 舵机的 动刚度测试仪 研究 意义 做了 简要分析， 并通过 对 国内外相关研究 进行 综述 ，对比 现有的 关键技术的 各种
32、解决方案。 第二章中 对 舵机 的扭转 动刚度测试 原理进行了分析，总结出测试 方法 ， 并 以此为依据 进行了 测控系统 的 总体 方案 设计。 第 三章中 针对 提高扭矩加载系统的 快速响应性 和跟随性，提出了 微分先 行 PID 控制算法 ， 考虑到外部干扰 的 影响 ，提出了 模糊 PID 控制 算法， 并使用 MATLAB/Simulink对 加载 过程进行了 控制 仿真。 第 四 章 中针对舵机的扭转 动刚度测试 过程开发 了测试软件， 具有 完整的舵机动刚度测试 过程 管理 功能和良好的实时性 。 第 五 章 中对本文 的 研究 成果进行 总结 ， 对 各个 研究 内容的完成情况
33、 进行 了分析， 并对 研究 过程中存在的 不足 的地方提出后期 展望 。 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 扭转动刚度测试仪测控 系统 方案 设计 2.1 前言 第一章 中对 舵机 的 动刚度性能测试的必要性 和 相关技术的研究现状进行了分析 ， 本章 则针对上一章中确立的 研究 内容进行 方案 设计。 为了 对舵机 的扭转 动刚度 性能进行测试，本文首先针对舵机的动刚度的定义和测试原理 进行 了分析，提出 了 一套电动式 扭 转 动刚度测试仪 测控 系统 的 方案 。一个 完整的扭转动刚度测试仪 主要由 两大部分 组成 ：机械部分 和测控 部分 。其中，机械 部分 为
34、整个 测试仪提供 各个 装置的 支撑 、连接等 ； 测控部分则完成 整个加载 控制和测试过程 ，为了 便于后续深入研究 ，本文 最后分别对 测控 系统 的两个子系统 进行了总体 分析介绍。 2.2 测试原理 2.2.1 扭转动刚度 定义 动 刚度是 指 机械 系统 对 在 受 到 动态 激扰 的 情况 下的 产生 形变的抵制能力 的 大小 ，一般 使用 机械系统 的固有频率来 进行 衡量 35。根据 动 刚度 定义可知 ，对于任何 一个机械 系统 来说 ， 动 刚度都会受到 激励 频率的影响， 其 通用表达式 为 ： (2.1) 其中 ， ()为 激励， ()为形变 。 舵机的 结构示意 如
35、图 2-1 所示 。在 工作 过程中 ， 舵机通过减速 齿轮组 将驱动 马达 的高速转动转换为舵 面的低速、大扭矩转动 。 图 2-1 舵机原理示意 图 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 结合舵机的 具体结构， 舵机 动刚度可以定义 为：在 没有 改变舵面角的 指令输入的情况下， 驱动 电机 上电后，对舵机 轴处所作用 的 激励与相应的舵机轴的偏转角度之比， 即 (2.2) 各个参数 的意义如表 2-1 所示 ： 表 2-1 参数意义 2.2.2 扭转动刚度测试方法 根据 上一小节 中 对舵机动刚度的定义可知， 在 对舵机 的 扭转 动刚度 性能 进行测试 的过程中 需要 首
36、先确定 两个 变 量 ：舵面 角 、激励 频率。 1)舵 面角。 舵机 在实际工作过程中 ，舵 面 一般 会出现在一定的 角度范围 内，称之为工作角度范围 。 舵 面在不同的角度 下 ， 舵机 系统的动刚度 性能 也会有所差异，所以 需要把 舵 面的 工作 角度范围等分 ，每次测试时 把舵面锁死 在 一个角度， 每次 只 测试 一个角度下 的 舵机 的动刚度 性能。 2） 激励频率 。根据舵机 实际工作过程中 的 激励频率范围， 进行 频率等分，然后 在实验 过程中进行扫频测试 ， 测得不同频率下的舵机的动刚度 ， 从而得到舵机的动刚度曲线。 综上，舵机的 动刚度 性能的 测试 实质 是 ：在
37、 特定的 舵 面角下， 对 舵机轴 进行 扫频加载 ， 得到特定的 舵 面角下 的 舵机动刚度曲线 。为了是 测试过程简单， 本文 采用 的 是最常用的正弦信号 作为激励 函数。 根据 式 2.2 可以变形 得到 以下 两个 公式： (2.3) (2.4) 由 式 2.3 和 式 2.4 可知 ，舵机动刚度有两种 测试 方法， 一种 是 控制施加的 扭矩， 使得舵机 轴所受扭矩为 特定 频率 正弦信号， 然后进行测试 ； 另一种是 控制舵机 轴 终端 的偏转 角， 使得舵机 轴 终端 的偏 转 角为 特定 频率 正弦信号， 然后进行测试。 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 通过 分析 发现 ， 两种 测试方法都是可行的， 通常采用的 是第一种方法，也是 目前 研究最多的 。 本文 经过 分析 发现，直接 施加特定 频率 扭矩