姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)實(shí)習(xí)平臺的應(yīng)用

霍 炬, 王行順, 楊旭強(qiáng), 李 偉, 齊 超

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程系, 黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 控制與仿真中心, 黑龍江 哈爾濱 150080)

計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用

姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)實(shí)習(xí)平臺的應(yīng)用

霍 炬1, 王行順2, 楊旭強(qiáng)1, 李 偉2, 齊 超1

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程系, 黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 控制與仿真中心, 黑龍江 哈爾濱 150080)

為了給大四學(xué)生提供更多的實(shí)習(xí)機(jī)會,結(jié)合實(shí)際科研項(xiàng)目,搭建了一套適合學(xué)生校內(nèi)實(shí)習(xí)的姿態(tài)運(yùn)動模擬實(shí)習(xí)平臺。介紹了姿態(tài)運(yùn)動模擬實(shí)習(xí)平臺的總體結(jié)構(gòu)和交流伺服系統(tǒng)的控制方案,其中包括硬件系統(tǒng)和控制軟件。該實(shí)習(xí)平臺人機(jī)界面友好、交互方便,具有完善的保護(hù)機(jī)制,使平臺能夠安全運(yùn)行。姿態(tài)運(yùn)動模擬實(shí)習(xí)平臺能夠幫助學(xué)生提高動手能力,增長工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),加深對相關(guān)課程的理解,在教學(xué)和科研中取得了良好的效果。

姿態(tài)運(yùn)動； 伺服系統(tǒng)； 保護(hù)機(jī)制； 實(shí)習(xí)平臺

為了提高大四學(xué)生的實(shí)踐動手能力,提高他們的綜合素質(zhì),結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的科研現(xiàn)狀,筆者搭建了姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)實(shí)習(xí)平臺。作為半實(shí)物仿真的一個重要應(yīng)用,姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)在國防領(lǐng)域和日常生活方面有著廣泛的應(yīng)用,如制導(dǎo)系統(tǒng)、醫(yī)療器械、測試樣機(jī)等[1]。本文主要介紹了姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、工作原理、軟硬件組成和結(jié)果分析。

1 姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)是一套復(fù)雜的機(jī)電耦合設(shè)備,具有高精度的機(jī)械傳動、穩(wěn)定雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)、對機(jī)械間隙進(jìn)行補(bǔ)償?shù)忍匦?能夠反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1為姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)主要包括上位機(jī)伺服系統(tǒng)和姿態(tài)運(yùn)動臺體。上位機(jī)是一

圖1 姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

臺高性能工控機(jī),通過PCI總線與運(yùn)動控制卡相連[2],用以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和承載系統(tǒng)控制算法,并進(jìn)行運(yùn)動控制和邏輯控制。伺服系統(tǒng)由轉(zhuǎn)接板、濾波器、扼流圈、伺服驅(qū)動器等部件組成,統(tǒng)一安裝在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)柜中。伺服系統(tǒng)是執(zhí)行機(jī)構(gòu),并且具有系統(tǒng)各個部件之間的通信功能。姿態(tài)運(yùn)動臺體有3個自由度,由3套驅(qū)動器和電機(jī)使其進(jìn)行俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)。在控制程序中,添加了軟件限位,以免發(fā)生“飛車”現(xiàn)象[3],對設(shè)備起到了保護(hù)作用。由于學(xué)生參加了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),也充分了解硬件和軟件保護(hù)的重要性。

2 姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)的工作原理

姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)采用工控機(jī)配合運(yùn)動控制卡組成二級主從式控制結(jié)構(gòu),通過運(yùn)動控制卡控制交流伺服驅(qū)動器,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對交流伺服電機(jī)的控制[4]。此運(yùn)動控制卡具有很好的硬件保護(hù)設(shè)計(jì),利用該功能可以避免系統(tǒng)在調(diào)試和運(yùn)行過程中出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象,對設(shè)備起到了保護(hù)作用。

運(yùn)動控制卡中含有以DSP為核心的運(yùn)動控制模塊,在控制單元內(nèi)通過并行傳輸數(shù)據(jù)和指令,以提高數(shù)據(jù)處理速度和伺服系統(tǒng)的控制性能[5],通過PCI總線與PC機(jī)內(nèi)的CPU進(jìn)行通信并接收PC機(jī)的控制指令,再通過內(nèi)部電路進(jìn)行邏輯和數(shù)字運(yùn)算,為動力和執(zhí)行裝置提供控制信號并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動裝置準(zhǔn)確運(yùn)動[6]。

從設(shè)備的靈活性和操作的直觀性考慮,姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)采用“PC+運(yùn)動控制卡”的全數(shù)字控制結(jié)構(gòu),通過在上位機(jī)應(yīng)用軟件中設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器和高精度定時器[7],并與運(yùn)動控制卡上的PID控制器相結(jié)合,構(gòu)造出一個性能比較完善的、具有雙層控制結(jié)構(gòu)的伺服控制系統(tǒng)(見圖2)。該系統(tǒng)可幫助學(xué)生直觀地學(xué)習(xí)數(shù)控系統(tǒng)的組成,使他們能深刻理解閉環(huán)系統(tǒng)。

圖2 姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)平臺的硬件設(shè)計(jì)

姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)采用“PC+運(yùn)動控制卡+直接驅(qū)動電機(jī)及驅(qū)動器”的控制結(jié)構(gòu)。GALIL運(yùn)動控制卡作為連接工控機(jī)與伺服驅(qū)動器的部件。運(yùn)動控制卡通過PCI總線與工控機(jī)通信,接收工控機(jī)的數(shù)字控制指令,通過轉(zhuǎn)接板與伺服驅(qū)動器連接,發(fā)送模擬速度指令并接收位置反饋[8]。本系統(tǒng)采用的是GALIL1842運(yùn)動控制卡,該控制卡可以同時控制4個軸的運(yùn)動,能夠完成JOG、PTP定位等多種運(yùn)動方式。系統(tǒng)還提供了豐富的通用I/O接口,為正、負(fù)向限位、急停、原點(diǎn)開關(guān)提供光電隔離輸入接口[9]。

伺服驅(qū)動器及電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),接收運(yùn)動控制卡發(fā)出的控制指令,直接驅(qū)動裝置的俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)；內(nèi)置碼盤反饋當(dāng)前電機(jī)旋轉(zhuǎn)信息。本系統(tǒng)采用的是恒河DM系列直接驅(qū)動電機(jī)及與電機(jī)相匹配的智能型驅(qū)動器。該類電機(jī)作為外轉(zhuǎn)子型直接驅(qū)動伺服電機(jī),具有高速、高精度、高轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)。驅(qū)動器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的速度環(huán)和電流環(huán),保證了系統(tǒng)的響應(yīng)速度[10]。

在PC端設(shè)計(jì)位置控制器,利用計(jì)算機(jī)的高精度定時,實(shí)現(xiàn)對給定位置的精確跟蹤。由于機(jī)械間隙的存在,電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度并不是臺體的旋轉(zhuǎn)角度,即編碼器位置反饋不能直接作為當(dāng)前位置,需要進(jìn)行機(jī)械誤差測量及補(bǔ)償[11]。

4 系統(tǒng)平臺軟件設(shè)計(jì)

4.1 主要功能和流程

圖3是軟件控制總體流程圖,軟件的設(shè)計(jì)結(jié)合了硬件特點(diǎn),系統(tǒng)主要有以下功能:

圖3 控制總體流程圖

(1) 初始化:建立上位機(jī)與運(yùn)動控制卡的連接；

(2) 電氣自檢:檢驗(yàn)上位機(jī)與運(yùn)動控制卡、運(yùn)動控制卡與驅(qū)動器是否連接；

(3) 尋零:根據(jù)標(biāo)志脈沖使臺體定位到機(jī)械零位；

(4) 手動運(yùn)行:根據(jù)輸入數(shù)據(jù)使臺體以設(shè)定速度到達(dá)設(shè)定的位置；

(5) 外觸發(fā)運(yùn)動:將輸入作為觸發(fā)信號,在觸發(fā)模式下可進(jìn)行規(guī)定的曲線運(yùn)動或者網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跟蹤。

Windows操作系統(tǒng)具有人機(jī)交互方便的優(yōu)點(diǎn),本姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)是在Windows下利用VC++6.0開發(fā)的,其主要功能模塊有操作界面模塊、保護(hù)模塊和運(yùn)動控制模塊。

4.2 操作界面模塊

姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)的操作界面是基于VC++6.0編寫的。界面上的按鈕和輸入框供實(shí)習(xí)人員與系統(tǒng)交互,便于進(jìn)行尋零、輸入軌跡、手動運(yùn)行和外觸發(fā)等操作。為了避免實(shí)習(xí)人員的錯誤操作而造成嚴(yán)重后果,界面上的按鈕根據(jù)操作流程采用遞進(jìn)式開啟。

4.3 保護(hù)模塊

一套完整的系統(tǒng),一定要有完善的保護(hù)操作人員和設(shè)備安全的措施。

在姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)中設(shè)置了機(jī)械臺體的最大運(yùn)動速度、最大加速度和限位,防止臺體發(fā)生“飛車”,能很好地保護(hù)設(shè)備。

當(dāng)電氣系統(tǒng)上電、系統(tǒng)軟件開啟后,點(diǎn)擊初始化的按鈕,系統(tǒng)會建立上位機(jī)與運(yùn)動控制卡的正常通信并完成控制系統(tǒng)軟件包含的相關(guān)參數(shù)與功能的設(shè)置。

初始化完成后進(jìn)行電氣連接的自檢。這個過程是通過試運(yùn)行一小段距離,在程序中判斷系統(tǒng)的電氣連接是否正確,保證之后的操作和運(yùn)行正常。

4.4 運(yùn)動控制模塊

運(yùn)動控制模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的尋零、手動運(yùn)行和外觸發(fā)控制。

尋零是根據(jù)標(biāo)志脈沖使臺體定位到機(jī)械零位,為之后的運(yùn)動控制找一個基準(zhǔn)；手動運(yùn)行是根據(jù)輸入數(shù)據(jù),使裝置以設(shè)定的速度到達(dá)設(shè)定的位置,方便之后進(jìn)行定位和測試；外觸發(fā)運(yùn)動控制是將輸入作為觸發(fā)信號,在觸發(fā)模式下進(jìn)行規(guī)定的曲線運(yùn)動或者網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)跟蹤,聯(lián)合其他系統(tǒng)做同步測試。

5 機(jī)械誤差測量補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)及控制器的仿真

5.1 機(jī)械誤差測量補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

工控機(jī)位置指令是以脈沖的形式發(fā)送給運(yùn)動控制卡,誤差補(bǔ)償?shù)哪康氖钦页鑫恢梅答伱}沖與臺體旋轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系,消除機(jī)械間隙的影響[12]。若不存在機(jī)械間隙的話,轉(zhuǎn)換關(guān)系由編碼器的分辨率決定。在本系統(tǒng)中,方位運(yùn)動方向電機(jī)編碼器的分辨率為1 024 000 p/rev。由于機(jī)械間隙的存在,通過編碼器反饋可以得到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度,但是該角度并不等于臺體的旋轉(zhuǎn)角度,因此,首先需測量出實(shí)際旋轉(zhuǎn)的角度。為此,采用平行光管與24面棱鏡來測量偏差。

平行光管的分劃板置于物鏡的焦平面上,所以由分劃板發(fā)出的光線便為平行光。分劃板根據(jù)平行光管的用途可以使用不同的圖案。本文使用的是刻有十字叉形的分劃板,因此能通過平行光管在物鏡焦平面上觀察到標(biāo)準(zhǔn)的十字叉形。

24面棱鏡體安裝于臺體旋轉(zhuǎn)軸上,棱鏡每隔15°便有一個反射面。當(dāng)平行光照射棱鏡表面時會反射回去；當(dāng)平行光管調(diào)整好后,便能在分劃板上看到反射的十字叉形。若24面體旋轉(zhuǎn)了15°,十字叉的刻度并不會改變,即十字叉仍在原來的位置。若沒有,則會有相應(yīng)角度的偏移。

測量時，先使方位軸處于機(jī)械零位,將24面棱鏡安裝于臺體旋轉(zhuǎn)軸,調(diào)整平行光管,直至能看到反射的十字叉,記錄該時刻的平行光管刻度。旋轉(zhuǎn)15°(確保此時看到的十字叉位置與初始時刻相同),記錄該時刻電機(jī)反饋位置,便得到了旋轉(zhuǎn)15°對應(yīng)的電機(jī)反饋位置。

測量結(jié)束后,對相應(yīng)位置的脈沖量進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償結(jié)果如圖4所示。

圖4 機(jī)械誤差補(bǔ)償結(jié)果

可以看出:補(bǔ)償前,利用平行光管測試實(shí)際位置與編碼器反饋位置偏差較大,超過15個脈沖；補(bǔ)償后,誤差在5個脈沖以內(nèi),對應(yīng)角度約為5″。

在進(jìn)行機(jī)械補(bǔ)償?shù)倪^程中,學(xué)生能夠?qū)W習(xí)使用平行光管,掌握機(jī)械補(bǔ)償?shù)脑砗吞幚碚`差的方法。

5.2 位置控制器仿真及結(jié)果分析

姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)中的被控對象是交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動器。由于系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜,精確的數(shù)學(xué)模型較難獲取。為此,采用理想的一階簡化模型21/(0.005s+1)作為傳遞函數(shù),此時系統(tǒng)被控對象的等效模型為

利用Simulink搭建仿真圖,并分別以階躍信號和正弦信號對控制器進(jìn)行了測試。

階躍信號作為典型的測試信號,將該信號分別作用于普通PID+前饋控制器以及利用模糊控制對PID參數(shù)及前饋系數(shù)整定的控制器,控制效果如圖5所示。在普通PID+前饋控制中,階躍響應(yīng)曲線超調(diào)5.2%,上升時間0.025s,調(diào)整時間0.048s；而參數(shù)整定控制后,超調(diào)1.5% ,上升時間0.026s,調(diào)整時間0.038s。從結(jié)果可知,經(jīng)模糊整定后的PID+前饋控制具有較好的控制性能,能減少系統(tǒng)超調(diào)及調(diào)整時間。

正弦信號具有時變的速度、加速度信息,可以比較好地測試系統(tǒng)的動態(tài)性能。從圖6中可以看出,加入模糊參數(shù)自整定后,動態(tài)跟蹤性能優(yōu)于普通PID+前饋,滯后時間明顯減少,從而跟蹤誤差相對也較小,誤差曲線如圖7所示。從圖7中可以看出,參數(shù)整定后的誤差約為0.025°,而傳統(tǒng)PID+前饋的跟蹤誤差約為0.11°。

在這個過程中,學(xué)生較容易理解控制算法在控制過程中的作用。

圖5 階躍測試曲線

圖6 正弦測試曲線

圖7 正弦響應(yīng)誤差曲線

5.3 畢業(yè)實(shí)習(xí)過程中系統(tǒng)平臺的應(yīng)用

在進(jìn)行姿態(tài)運(yùn)動模擬實(shí)習(xí)時,學(xué)生可以改變系統(tǒng)的PID參數(shù)、比較運(yùn)行結(jié)果、選擇最優(yōu)的參數(shù),并通過不斷的補(bǔ)償達(dá)到理想的結(jié)果。在應(yīng)用軟件界面中,可以改變手動的運(yùn)動位置和速度,讀入軌跡運(yùn)行數(shù)據(jù),并實(shí)時顯示運(yùn)行軌跡。

6 結(jié)束語

姿態(tài)運(yùn)動模擬系統(tǒng)實(shí)習(xí)平臺對機(jī)械臺體的控制采用了安全、可靠性較高的“PC+運(yùn)動控制卡”的控制結(jié)構(gòu),可以讓學(xué)生親身實(shí)踐調(diào)試設(shè)備的過程,提升了學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。該平臺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用涉及到多門相關(guān)課程的知識,包括自動控制元件、數(shù)字電路、模擬電路、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等知識,在教學(xué)和科研中取得了良好的效果。

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Application of internship platform for attitude motion simulation system

Huo Ju1, Wang Xingshun2, Yang Xuqiang1, Li Wei2, Qi Chao1

(1. Electrical Engineering Department.Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2. Control and Simulation Center,Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

In order to give seniors more internship opportunities, the attitude motion simulation system that is suitable for seniors on campus is set up,combining the actual research project.This paper introduces the general structure of the attitude motion simulation system and designs the control scheme of the servo system of the internship platform.Including the composition of hardware system and control software,it realizes the function of friendly man-machine interface and convenient interaction.In addition,the internship platform contains a perfect protection mechanism to make the system safe.At the same time,it also improves the students’ practical ability,increases the experience of engineering practice,and deepens the students understanding of related courses.As a result, the good effect is achieved in teaching and scientific research.

attitude motion; servo system; protection mechanism; internship platform

2014- 11- 24

黑龍江省高等學(xué)校教改工程項(xiàng)目(JG2014010725)

霍炬(1977—),男,河北唐山,博士,教授,電氣學(xué)院院長助理,主要從事電工電子方面的教學(xué)與教學(xué)管理工作.

E-mail：torch@hit.edu.cn

TP273；G484

A

1002-4956(2015)7- 0127- 04