摘 要：三軸電氣傳動搖擺臺是集機、電、儀及計算機于一體的高精度物理仿真試驗系統(tǒng)，其控制主要是通過對位置、速度、電流三閉環(huán)得以實現(xiàn)，本文針對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的速度環(huán)接入微分負反饋，并進行Simulink仿真，結(jié)果表明，可以明顯改善系統(tǒng)的性能，進而提升整個系統(tǒng)的控制精度。 關鍵詞：搖擺臺;雙閉環(huán);微分負反饋 [b][align=center]Modeling and Simulation of Double Closed Loop System for 3-axis electric sway test platform Li Guang-wei, Han Ru-cheng, Pan feng, Wang Yan-xia[/align][/b] Abstract：The simulation sway test system is a high-accurate physical simulation system, which contains machinery、electric、instrument、computer technology and achieves mainly by controlling the position loop、velocity loop、current loop. By adding the differential negative feedback to the velocity loop of the traditional double closed loop, as can be seen from the simulation results, the system‘s performance can be improved obviously so as to enhance the accuracy of the entire swing table. Key words: swing table; double closed loop; differential negative feedback; 1. 前言 　　三軸電氣傳動搖擺臺（也稱轉(zhuǎn)臺）是集機、電、儀及計算機于一體的高精度物理仿真試驗系統(tǒng)。它不但可以模擬艦船在不同海情下縱、橫、艏三個自由度的運動姿態(tài)，進行模擬搖擺條件下的技術性能考核試驗，而且可以提供搖擺臺基準平面姿態(tài)角的“真值”?？捎糜诒粶y設備在多種姿態(tài)角組合狀態(tài)下的靜態(tài)性能及在多種搖擺狀態(tài)下的動態(tài)性能分析，亦可對被試設備在搖擺條件下的技術性能進行考核[1]。 　　三軸電氣傳動搖擺臺主要由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、姿態(tài)角測量與計算機數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)及安全保護等輔助系統(tǒng)組成。 2.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理 　　三軸電氣傳動搖擺臺的位置隨動系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)速、電流、位置三閉環(huán)控制構(gòu)成的。其中，要想得到位置跟蹤，必須首先設計電流、轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)系統(tǒng)。 　　2.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 　　轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接。如圖1所示。其中，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，TG為測速發(fā)電機，TA為電流互感器，UPE為電力電子變換器 Un＊為轉(zhuǎn)速給定電壓，Un為轉(zhuǎn)速反饋電壓，Ui＊為電流給定電壓，Ui為電流反饋電壓。 　　把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)[2]。 [align=center] 圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[/align] 　　2.2 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程化設計 　　轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種雙閉環(huán)系統(tǒng)，設計雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的一般方法是：從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴大，一環(huán)一環(huán)地進行設計。因此，對于雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，應先從電流環(huán)開始，首先確定電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，然后把整個電流環(huán)當作轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的一個環(huán)節(jié)，和其他環(huán)節(jié)一起作為轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對象，再來確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 　　根據(jù)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，按照轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計的工程化設計方法，可以得到轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，在框圖中，設計了濾波環(huán)節(jié)（包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定濾波環(huán)節(jié)）。由于來自電流檢測單元的反饋信號中常含有交流分量，需要加低通濾波，Toi為電流反饋濾波時間常數(shù)，其大小按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以濾除電流反饋信號中的交流分量，但同時使反饋信號延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中也加入一個時間常數(shù)與之相同的慣性環(huán)節(jié)，稱為“給定濾波”環(huán)節(jié)。其意義是：讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延滯，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜稀? 　　由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋信號中含有電動機的換向紋波，也需要經(jīng)過濾波，轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton也視具體情況而定。在轉(zhuǎn)速給定通道中也引入時間常數(shù)為Ton的濾波環(huán)節(jié)[3]。 [align=center] 圖2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　2.3 改進型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 　　根據(jù)自動控制系統(tǒng)設計理論，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設計方便。然而，其動態(tài)性能的不足之處就是轉(zhuǎn)速超調(diào)，而且抗擾性能不佳，為此，在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速換引入轉(zhuǎn)速微分負反饋，這樣就可以抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)直到消滅超調(diào)，同時可以大大降低動態(tài)速度降落。其動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中，Todn為轉(zhuǎn)速微分濾波時間常數(shù)。 [align=center] 圖3 改進型轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖[/align] 3.基于Simulink的轉(zhuǎn)速、電流、位置雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)建模 　　3.1系統(tǒng)仿真模型 　　由于永磁式直流力矩電機使用特殊的磁性材料，它在相同的轉(zhuǎn)子外徑和電樞電流的情況下，力矩系數(shù)較大，所以產(chǎn)生的力矩也較大，從而使電機的加速性能和響應特性都有顯著的改善，在低速時能輸出較大的力矩[4]。為此我們采用了分裝式力矩電機（即電機轉(zhuǎn)子直接安裝到臺體軸上），省去了減速齒輪，消除了齒隙影響，因此提高了整個系統(tǒng)的剛度、低速設計的平穩(wěn)性和跟蹤精度。 　　電機參數(shù)如下：峰值堵轉(zhuǎn)電壓200V，峰值堵轉(zhuǎn)電流13A，最大空載轉(zhuǎn)速30r/min，電樞電阻15.2Ω，連續(xù)堵轉(zhuǎn)扭矩≥300N·m，連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓92.3V，連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流6A，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量4.5㎏·m2，電樞電感170mH，轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)≤1%。 　　按照轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計的工程化設計方法，依據(jù)如上所述電機參數(shù)，運用MATLAB軟件，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink仿真模型[5]，如圖4所示，其單位階躍響應曲線如圖5所示，其單位階躍負載擾動曲線如圖6所示。 [align=center] 圖4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型[/align] [align=center] 圖5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍響應曲線[/align] [align=center] 圖6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍負載擾動響應曲線[/align] 　　3.2 改進的系統(tǒng)仿真模型 　　從圖5、6中可以看出，其節(jié)約響應的超調(diào)量比較大，系統(tǒng)抗負載擾動能力比較弱。為減小其超調(diào)量，我們?yōu)槠渌俣拳h(huán)設計一微分負反饋，如圖7所示，其單位階躍響應曲線如圖8所示，其單位階躍負載擾曲線如圖9所示。 [align=center] 圖7 轉(zhuǎn)速微分負反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 圖8 轉(zhuǎn)速微分負反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍響應曲線 圖9 轉(zhuǎn)速微分負反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍負載擾動響應曲線[/align] 　　3.3 仿真結(jié)果分析 　　從圖5、6和圖8、9的比較中可以看出，采用轉(zhuǎn)速微分負反饋后，系統(tǒng)的超調(diào)量明顯減小，轉(zhuǎn)速微分負反饋作用彰顯無遺，其負載擾動比傳統(tǒng)雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)降落要小得多，從而可以提高轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的控制精度。如果繼續(xù)增大微分負反饋增益，可以實現(xiàn)基本無超調(diào)，但系統(tǒng)最大動態(tài)降落時間與恢復時間要長一些。 4. 結(jié)論 　　三自由度轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)是基于位置、速度、電流三閉環(huán)控制的先進控制系統(tǒng)，其中速度、電流雙閉環(huán)的設計是其設計位置環(huán)的前提，通過對速度環(huán)加入轉(zhuǎn)速微分負反饋，可以明顯改善系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，提升系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，達到理想的控制效果。 參考文獻： 　　[1] 周力，張林. 搖晃軸試驗臺架控制系統(tǒng)[J]. 工程機械，2003，（05）：29-31. 　　[2] 陳伯時，阮毅，陳維鈞，等. 第3版. 電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2003. 　　[3] 楊耕，羅應立，等. 電機與運動控制系統(tǒng)[M]. 北京：清華大學出版社，2006. 　　[4] 叢爽，李澤湘. 實用運動控制技術[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006. 　　[5] 黃忠霖，周向明. 控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真實訓[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2006.