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1、伺服控制在飞行仿真转台中的应用蔡大伟导语：飞行器仿真转台是一种通过伺服控制并且需要高精度控制系统的重要实验仿真设备，它可仿真模拟飞机空中飞行状态和动作，如：俯仰、滚转和偏航。引言飞行器仿真转台是一种通过并且需要高精度控制系统的重要实验仿真设备，它可仿真模拟飞机空中飞行状态和动作，如：俯仰、滚转和偏航。飞行器仿真转台实际上是一种将电信号转换到机械运动的设备。但怎样进步飞行器仿真转台的动态性能一直是这一领域研究的热门问。我国对飞行仿真转台的研究开场于20世纪中期，主要分布于航天、兵器、航空、船舶等相关领域。在新产品的研制开发经过中发挥着重要作用，随着目前计算机技术的迅速开展和伺服技术的广泛应用，在
2、高精度三轴飞行仿真转台中实现伺服控制已成为可能。近几年以来,国际上对多速率采样理论的分析研究已经获得了很大的进步，并为离散控制系统的前馈控制分析研究开拓了广阔的研究空间。H.Fujimoto日本学者曾提出采用多速率采样系统实现对指令完全跟踪的控制方案，此控制方案的核心是将SISO的被控对象通过MIMO的状态方程描绘出来,进而构造出被控对象状态的传递函数矩阵来。该方法的提出目前逐渐成为此领域的研究热门。目前国际上对该方案在单相逆变器、基于视觉的伺服控制、谐波电流抑制、沟通伺服等相关领域的研究上获得了很大进步，而我国对该方案的研究才刚刚起步。转台作为飞行仿真器和导航测试主要组成局部，为使飞行仿真用
3、具有更高的精度，进步转台的精度是必不可少。但目前对飞行器转台的研究还存在很多的制约因素，如：无法准确确定被控对象、现有控制理论的局限性、外界干扰因素等。但其中最主要的因素之一就是被控对象的不确定性。由于在实际应用是系统比拟复杂，又无法建立比拟完善的建模理论，因此，无法准确的建立被控对象的数学模型。在对控制系统进展建模时，往往采用低阶模型代替高阶模型，用线性模型代替非线性模型。由于环境因素不确定，往往使得被控对象与所建立的数学模型间存在差异。目前，随着自动化控制技术的不断开展和完善，航空、航天领域对飞行器仿真转台的精度和响应频率等技术参数的要求也越来越高，给转台的制造和控制程度提出了新的挑战，也
4、给伺服控制系统提出了更高的要求。1、飞行器仿真转台控制系统介绍飞行仿真转台主要由外框、中框和内框三局部组成，如图1所示为某型号的三轴飞行仿真转台示意图，中框和内框都采用闭合式构造，外框采用音叉式构造，内中外三框采用伺服电机进展驱动可进展连续旋转。将陀螺仪和导引头等传感器安装在内框上用于感应飞机的飞行姿态和角运动，其传感器和控制器的I/O信号通过导电环从底座引出，进而将各种姿态收集到的信号转化为转台的机械转动。外中内三框分别表示的物理意义为：外框表示飞机偏离航线、中框表示飞机俯仰、内框表示飞机滚转，三个框同时进展动作就可仿真出飞行在三维空间的真实姿态。图1某型号的三轴飞行仿真转台示意图本系统的驱
5、动局部主要是外框、中框和内框分别采用伺服电机进展驱动，伺服电机都由各自的伺服控制器进展电机动作的控制。三框还分别安装了一个感应同步器和一个测速机，用以监测仿真转台的旋转角位置和角速度。转台的内中外三个框架在控制上是互相独立的，因此本控制系统采用如图2所示的方案。该控制方案采用上位机和下位机相结合的控制方式。采用一台计算机作为上位机，实时对伺服控制系统进展监控和治理。下位机那么用于对三个通道的执行机构进展直接控制。由于每个通道控制回路的物理构造是一样的，所以三个通道之间的控制关系为并行关系。图2飞行器仿真转台系统总体控制构造图上位机的操纵面板用于设置系统的工作状态，并且将工作状态的相关信息在上位
6、机进展显示。上位机在将设置的指令传送给下位机，上位机与下位机之间采用总线方式进展数据交换。下位机可将实时根据收集到的反应信号，根据编写的控制程序算法，换算出输出量，然后通过数字量/模拟量输出，经控制器控制电机，进而实现飞行器转台的实时控制。2、转台数学模型建立由于转台的内中外三个框架在控制方式上是互相独立的，因此可分别对单个框架进展控制系统的设计6。以下所建立的飞行器仿真转台的数学建模：本控制系统为保证控制系统的静态精度和稳定性，并且使控制系统具有良好的动态性能和对外界扰动的调节才能，依次采用了设计位置环、速度环和电流环对输出进展控制。3.1电流环设计采用电流环负反应可允许电机具有过载才能，也
7、可限制最大电流值，进而对电机得快速起动或者制动起到保护作用。3.2速度环设计速度环设计是位置控制系统中必不可少的一个环节，可以保证速度回路的静态精度。本系统采用测速机作为速度反应元件，进而构成速度反应环。3,3位置环设计图3飞行器仿真转台控制系统构造框图本系统的位置环控制系统由：速度环、PWM、力矩电机和测速机等组成。因位置环控制器为数字式控制器，因此可通过计算机来实现。当控制系统在进展速度跟踪控制时，只有准确的位置信号，但没有准确的测速元件，因此只能通过位置信号差分的方法来得到速度信号，然后再进展位置闭环控制，通过位置环的精度来控制速度环的精度。4、控制系统仿真本控制系统是针对三轴飞行器仿真
8、转台进展设计的，其中内框采用PID方式进展控制。为了是控制系统具有良好的动态精度，对输入信号进展微分补偿，进而构成了对PID进展前馈复合控制。如图4所示为在MATLAB/Simulink软件中建立的飞行器仿真转台伺服系统仿真图。图4飞行器仿真转台伺服系统仿真图本控制系统中设定定时中断为1ms，收集数据间隔为1ms，并在内框中增加30公斤的负载。采用PID前馈复合控制，分别设定输入位置命令为0.5度，输入信号频率为1.5Hz正弦信号，设定输入位置指令为1o、输入信号频率为2Hz正弦信号，通过运行仿真软件可以得到如图5所示的输入信号与转动角度的仿真效果图中X轴单位为o，Y轴单位为s。图5飞行器模拟转台PID前馈复合控制仿真图通过仿真图可以看出，参加PID前馈的复合控制非常符公道想输出，进而证实了本控制系统的可应用性。5、结论本文对飞行器仿真转台的总体控制方案进展介绍，并搭建了单框转台的数学模型，对转台的控制器进展了设计方法的介绍，并对控制方案的稳定性和精度问题进展了分析。通过MATLAB仿真平台搭建了控制系统的仿真模型，采用算例模拟仿真输入信号，为仿真模型发送固定频率信号和位置指令，并对仿真结果进展了分析。通过实验结果证实了该控制方案的有效性。