三轴电气摇摆试验台双闭环系统的建模与仿真

摘 要：三轴电气传动摇摆台是集机、电、仪及计算机于一体的高精度物理仿真试验系统，其控制主要是通过对位置、速度、电流三闭环得以实现，本文针对双闭环调速系统的速度环接入微分负反馈，并进行Simulink仿真，结果表明，可以明显改善系统的性能，进而提升整个系统的控制精度。关键词：摇摆台;双闭环;微分负反馈[b][align=center]Modeling and Simulation of Double Closed Loop System for 3-axis electric sway test platformLi 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　　三轴电气传动摇摆台（也称转台）是集机、电、仪及计算机于一体的高精度物理仿真试验系统。它不但可以模拟舰船在不同海情下纵、横、艏三个自由度的运动姿态，进行模拟摇摆条件下的技术性能考核试验，而且可以提供摇摆台基准平面姿态角的“真值”。可用于被测设备在多种姿态角组合状态下的静态性能及在多种摇摆状态下的动态性能分析，亦可对被试设备在摇摆条件下的技术性能进行考核[1]。　　三轴电气传动摇摆台主要由机械系统、控制系统、姿态角测量与计算机数据采集和处理系统及安全保护等辅助系统组成。2.转速、电流双闭环调速系统原理　　三轴电气传动摇摆台的位置随动系统是由转速、电流、位置三闭环控制构成的。其中，要想得到位置跟踪，必须首先设计电流、转速的双闭环系统。　　2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成　　转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接。如图1所示。其中，ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG为测速发电机，TA为电流互感器，UPE为电力电子变换器 Un＊为转速给定电压，Un为转速反馈电压，Ui＊为电流给定电压，Ui为电流反馈电压。　　把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环;转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统[2]。[align=center]图1 转速、电流双闭环直流调速系统结构[/align]　　2.2 传统转速、电流双闭环直流调速系统的工程化设计　　转速、电流双闭环调速系统是一种双闭环系统，设计双闭环控制系统的一般方法是：从内环开始，逐步向外扩大，一环一环地进行设计。因此，对于双闭环调速系统，应先从电流环开始，首先确定电流调节器的结构和参数，然后把整个电流环当作转速环内的一个环节，和其他环节一起作为转速环的控制对象，再来确定转速调节器的结构和参数。　　根据转速、电流双闭环直流调速系统的结构图，按照转速、电流双闭环直流调速系统设计的工程化设计方法，可以得到转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构框图如图2所示，在框图中，设计了滤波环节（包括电流滤波、转速滤波和两个给定滤波环节）。由于来自电流检测单元的反馈信号中常含有交流分量，需要加低通滤波，Toi为电流反馈滤波时间常数，其大小按需要选定。滤波环节可以滤除电流反馈信号中的交流分量，但同时使反馈信号延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中也加入一个时间常数与之相同的惯性环节，称为“给定滤波”环节。其意义是：让给定信号和反馈信号经过相同的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合。　　由测速发电机得到的转速反馈信号中含有电动机的换向纹波，也需要经过滤波，转速反馈滤波时间常数Ton也视具体情况而定。在转速给定通道中也引入时间常数为Ton的滤波环节[3]。[align=center]图2 转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构框图[/align]　　2.3 改进型双闭环调速系统　　根据自动控制系统设计理论，采用PI调节器的双闭环调速系统具有良好的稳态与动态性能，结构简单，工作可靠，设计方便。然而，其动态性能的不足之处就是转速超调，而且抗扰性能不佳，为此，在传统转速换引入转速微分负反馈，这样就可以抑制转速超调直到消灭超调，同时可以大大降低动态速度降落。其动态结构框图如图3所示。其中，Todn为转速微分滤波时间常数。[align=center]图3 改进型转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构框图[/align]3.基于Simulink的转速、电流、位置双闭环调速系统建模　　3.1系统仿真模型　　由于永磁式直流力矩电机使用特殊的磁性材料，它在相同的转子外径和电枢电流的情况下，力矩系数较大，所以产生的力矩也较大，从而使电机的加速性能和响应特性都有显著的改善，在低速时能输出较大的力矩[4]。为此我们采用了分装式力矩电机（即电机转子直接安装到台体轴上），省去了减速齿轮，消除了齿隙影响，因此提高了整个系统的刚度、低速设计的平稳性和跟踪精度。　　电机参数如下：峰值堵转电压200V，峰值堵转电流13A，最大空载转速30r/min，电枢电阻15.2Ω，连续堵转扭矩≥300N·m，连续堵转电压92.3V，连续堵转电流6A，转子转动惯量4.5㎏·m2，电枢电感170mH，转矩波动系数≤1%。　　按照转速、电流双闭环直流调速系统设计的工程化设计方法，依据如上所述电机参数，运用MATLAB软件，建立双闭环调速系统的Simulink仿真模型[5]，如图4所示，其单位阶跃响应曲线如图5所示，其单位阶跃负载扰动曲线如图6所示。[align=center]图4 双闭环调速系统仿真模型[/align][align=center]图5 双闭环调速系统的单位阶跃响应曲线[/align][align=center]图6 双闭环调速系统的单位阶跃负载扰动响应曲线[/align]　　3.2 改进的系统仿真模型　　从图5、6中可以看出，其节约响应的超调量比较大，系统抗负载扰动能力比较弱。为减小其超调量，我们为其速度环设计一微分负反馈，如图7所示，其单位阶跃响应曲线如图8所示，其单位阶跃负载扰曲线如图9所示。[align=center]图7 转速微分负反馈双闭环调速系统仿真模型图8 转速微分负反馈双闭环调速系统的单位阶跃响应曲线图9 转速微分负反馈双闭环调速系统的单位阶跃负载扰动响应曲线[/align]　　3.3 仿真结果分析　　从图5、6和图8、9的比较中可以看出，采用转速微分负反馈后，系统的超调量明显减小，转速微分负反馈作用彰显无遗，其负载扰动比传统双闭环系统的动态降落要小得多，从而可以提高转台系统的控制精度。如果继续增大微分负反馈增益，可以实现基本无超调，但系统最大动态降落时间与恢复时间要长一些。4. 结论　　三自由度转台控制系统是基于位置、速度、电流三闭环控制的先进控制系统，其中速度、电流双闭环的设计是其设计位置环的前提，通过对速度环加入转速微分负反馈，可以明显改善系统的动静态性能，提升系统的稳态精度，达到理想的控制效果。参考文献：　　[1] 周力，张林. 摇晃轴试验台架控制系统[J]. 工程机械，2003，（05）：29-31.　　[2] 陈伯时，阮毅，陈维钧，等. 第3版. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M]. 北京：机械工业出版社，2003.　　[3] 杨耕，罗应立，等. 电机与运动控制系统[M]. 北京：清华大学出版社，2006.　　[4] 丛爽，李泽湘. 实用运动控制技术[M]. 北京：电子工业出版社，2006.　　[5] 黄忠霖，周向明. 控制系统MATLAB计算及仿真实训[M]. 北京：国防工业出版社，2006.