變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)分區(qū)間 PID 位置跟蹤控制方法研究

方子帆，馬增武，楊守期，葛旭甫，楊蔚華

(1. 三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng) 新中心，湖北宜昌 443002；3. 三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)分區(qū)間 PID 位置跟蹤控制方法研究

方子帆1,2,3，馬增武1，楊守期1，葛旭甫1，楊蔚華1

(1. 三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng) 新中心，湖北宜昌 443002；3. 三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)隨載荷質(zhì)量和俯仰角位移的變化，其俯仰體質(zhì)心位置隨之變化，進(jìn)而其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩等因素也隨之變化。為設(shè)計(jì)變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)的自適應(yīng)控制策略，提出了俯仰機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的分區(qū)間 PID 控制方法。以位置隨動(dòng)精度和隨動(dòng)時(shí)間為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了位置環(huán)三區(qū)間 PID 控制方法。基于 ADAMS 與 Simulink 聯(lián)合仿真技術(shù)，建立了變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型。通過(guò)仿真與物理樣機(jī)試驗(yàn)，對(duì)比分析經(jīng)典 PID 和分區(qū)間 PID 控制算法的位置控制準(zhǔn)確性和快速性。研究結(jié)果表明，分區(qū)間 PID 控制算法在規(guī)定響應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)，誤差精度不超過(guò) 0.5°，能有效提高變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)的控制精度。

變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)；三環(huán)控制系統(tǒng)；分區(qū)間 PID 控制算法；聯(lián)合仿真

0 引 言

隨著工業(yè)發(fā)展，在武器裝備、雷達(dá)、工程機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、森林滅火機(jī)械、機(jī)器人等裝備機(jī)械，俯仰系統(tǒng)廣泛運(yùn)用于不同的領(lǐng)域。絕大多數(shù)設(shè)備受到隨時(shí)間和空間變化的負(fù)載作用（如力、扭矩等）及意外沖擊的影響，甚至設(shè)備本身就是變質(zhì)量系統(tǒng)[1]。

進(jìn)行仿真研究時(shí)，由于變質(zhì)量系統(tǒng)的負(fù)載存在嚴(yán)重的非線性[1]，在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，模型負(fù)載參數(shù)變動(dòng)較大，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量存在嚴(yán)重的不確定性，使得數(shù)學(xué)模型難以精確地反映實(shí)際運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中被控對(duì)象的特征和運(yùn)動(dòng)屬性。因此，建立仿真模型及變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)位置伺服控制策略尤其重要。

現(xiàn)代工業(yè)和軍事對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和滾柱絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)性能要求的提高，研究復(fù)合傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)及伺服控制問題，有利于指導(dǎo)和提高變速器及其控制系統(tǒng)的研發(fā)效率。研究變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)位置伺服控制策略，旨在為變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)的實(shí)際控制過(guò)程提供參數(shù)參考。

1 變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)特性

如圖 1 所示為變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，俯仰系統(tǒng)機(jī)構(gòu)主要由底座、俯仰傳動(dòng)油缸、俯仰體組成。以俯仰體與底座鉸接點(diǎn)處建立xOy坐標(biāo)系，G點(diǎn)為俯仰體的重心，θ為任意時(shí)刻系統(tǒng)的俯仰角，任意時(shí)刻俯仰角位移的變化量與質(zhì)心的角位移變化量相等，a為俯仰體質(zhì)心的結(jié)構(gòu)角，∠GOC為俯仰體變化的最大俯仰角θmax。在變負(fù)載的工況下，通過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，傳統(tǒng)的經(jīng)典 PID 控制器的同一組控制參數(shù)很難完美的達(dá)到預(yù)期的效果。這是由于當(dāng)變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)隨俯仰角位移和載荷質(zhì)量的變化時(shí)，其俯仰體質(zhì)心位置G、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩等因素都隨之變化，其伺服控制系統(tǒng)的工作條件越來(lái)越惡劣，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確精度等性能指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)格，因此固定參數(shù)下的經(jīng)典PID 控制器不能滿足實(shí)際要求。為了尋找合適的控制參數(shù)，人為的將俯仰體的俯仰角劃分為 Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ 三個(gè)區(qū)間，3 個(gè)區(qū)的上邊界線分別用OA，OB 和 OC表示，弧GGmax為俯仰體質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡。在不同的區(qū)間內(nèi)，俯仰體的俯仰角驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是變化的，如表 1 所示做出定性分析，因此對(duì)其位置伺服控制策略提出了更高的要求。

表1 俯仰體各區(qū)間驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩參數(shù)變化過(guò)程Tab. 1 Change process of driving torque parameters in different range of pitch

位置伺服系統(tǒng)是基于位置誤差和誤差變化控制的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器等受硬件和控制算法復(fù)雜度的制約，仍采用了 PID 或改進(jìn)的 PID 控制器。常規(guī) PID 控制原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，在控制具有確定模型的線性過(guò)程中也取得了良好的控制效果。但位置伺服系統(tǒng)運(yùn)行情況復(fù)雜，具有參數(shù)的時(shí)變性和模型的不確定性，系統(tǒng)辨識(shí)與建立模型涉及諸多因素，如摩擦特性、擾動(dòng)扭矩、機(jī)械系統(tǒng)的剛度和慣量，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng) PID 控制參數(shù)在線實(shí)時(shí)整定困難，對(duì)不確定性的非線性過(guò)程的系統(tǒng)難以進(jìn)行有效控制[2-5]。

通過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)俯仰角不同的區(qū)間內(nèi)，通過(guò)補(bǔ)償和修正一些參數(shù)，可以使得更接近預(yù)期的效果。本文針對(duì)具有參數(shù)不確定性的一類熱工對(duì)象，提出變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)分區(qū)間 PID 位置跟蹤控制方法。

2 分區(qū)間 PID 三環(huán)控制策略

2.1 控制策略

變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)位置控制所研究的被控制量是俯仰體的角位移。當(dāng)俯仰位置給定變化時(shí)，控制系統(tǒng)的任務(wù)是使系統(tǒng)輸出快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入，即要求俯仰體能夠及時(shí)地復(fù)現(xiàn)俯仰位置輸入的變化[6-7]。

典型的的三閉環(huán) PID 控制系統(tǒng)由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成，如圖 2 所示，根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用三閉環(huán) PID 控制系統(tǒng)以提高變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)的位置響應(yīng)精度。由位置給定和位置檢測(cè)信號(hào)的差值經(jīng)過(guò)位置調(diào)節(jié)器輸出，作為轉(zhuǎn)速給定；轉(zhuǎn)速給定值和轉(zhuǎn)速檢測(cè)值的差值經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出，作為電流給定；電流環(huán)作為最內(nèi)環(huán)，可以快速的跟蹤電流給定。其中電流環(huán)和速度環(huán)的給定來(lái)自速度反饋和位置反饋，位置環(huán)的給定來(lái)自電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出，電流經(jīng)過(guò) PWM 脈寬調(diào)制之后得到控制電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)即通過(guò)減速器后帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到控制位置的目的。

多閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，逐個(gè)設(shè)計(jì)各環(huán)的調(diào)節(jié)器。在本系統(tǒng)中，先將ASR和ACR設(shè)計(jì)好后，再設(shè)計(jì)APR。這樣的逐步設(shè)計(jì)保證了每個(gè)控制環(huán)都是穩(wěn)定的，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)的對(duì)象參數(shù)變化或者受到擾動(dòng)時(shí)，電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋能起到及時(shí)的抑制作用，使之對(duì)位置環(huán)的影響較小。

2.2 三環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)模型不一定能正確地識(shí)別構(gòu)件損壞程度。引起這種差錯(cuò)的其中一個(gè)主要因素可能是網(wǎng)絡(luò)沒有被提供足夠多的信息來(lái)區(qū)分不同構(gòu)件的損壞狀態(tài)。我們可以采取一些措施進(jìn)行補(bǔ)救，譬如，選擇合適的傳感器數(shù)量和安放位置來(lái)正確而恰當(dāng)?shù)夭蹲浇Y(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。在第二、第三層上分別設(shè)置傳感器，以增加輸入信息量。此外，還可嘗試改變網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)，選用兩個(gè)隱層，更好地區(qū)分不同損壞狀態(tài)和識(shí)別60%損壞的構(gòu)件。

1）電流環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

電流環(huán)調(diào)節(jié)器一般設(shè)計(jì)為 PI 控制器，需要考慮啟動(dòng)電流超調(diào)的問題。電流環(huán)控制對(duì)象為 PWM 逆變器（包括 PWM 信號(hào)形成、延時(shí)、隔離驅(qū)動(dòng)及逆變器）、電機(jī)的電樞回路、電流采樣和濾波電路。電流環(huán)主要作用是限制電流，因而電流的跟隨作用尤為重要，一般將電流環(huán)校正成典型 Ⅰ 型系統(tǒng)。電流環(huán) PI控制器傳遞函數(shù)為：

式中：Kpi為電流環(huán)調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；τi為電流環(huán)調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)；Kii為電流環(huán)調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間系數(shù)。

圖3 所示為電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。

則電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：Ks為 PWM 的放大倍數(shù)；β為電流反饋系數(shù)；Ra為電樞繞組。

2）速度環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)速度環(huán)輸出控制無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此，速度控制器一般設(shè)計(jì)為 PI控制器，考慮到實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試中，電機(jī)有額定的最高轉(zhuǎn)速，需要考慮限速的問題。一般將速度環(huán)校正成典型 Ⅱ 型系統(tǒng)。速度環(huán) PI 控制器的傳遞函數(shù)為：

如圖 4，則速度環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：速度開環(huán)增益公式為KN=KpnRsα/τnTmKΦ，；α為速度反饋系數(shù)；Ton為速度反饋濾波時(shí)間常數(shù)。

3）位置環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

隨動(dòng)系統(tǒng)要求輸出量準(zhǔn)確跟隨給定量的變化，輸出響應(yīng)要求具有快速性、靈活性、準(zhǔn)確性等特征。位置隨動(dòng)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)特征是位置環(huán)，即主導(dǎo)控制器是位置控制器，它的作用是使位置信號(hào)θ跟隨給定信號(hào)θref的變化，其性能直接決定了系統(tǒng)的控制性能。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般將位置環(huán)設(shè)計(jì)成典型 Ⅰ 型系統(tǒng)，位置環(huán)設(shè)計(jì)成一個(gè)比例放大環(huán)節(jié)Kp，比例作用Kp使得控制器的輸入與輸出成一一對(duì)應(yīng)比例關(guān)系，一有偏差立即會(huì)產(chǎn)生控制作用。因此，比例控制基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，為了盡量減小偏差同時(shí)也為了加快響應(yīng)速度，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，就需要增大Kp，但是Kp又受到系統(tǒng)穩(wěn)定性的限制，不能任意增大，可保證系統(tǒng)無(wú)超調(diào)且具有良好的跟隨性能。變 PI 控制的思想是由工程實(shí)踐中產(chǎn)生，PID 控制針對(duì)俯仰系統(tǒng)變質(zhì)量變負(fù)載的復(fù)雜工況，存在一定的局限性[8]。當(dāng)一組固定的Kp參數(shù)不能更好的獲取準(zhǔn)確地、快速地的響應(yīng)時(shí)，根據(jù)變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)俯仰角不同的工作區(qū)間，對(duì)應(yīng)不同的Kp參數(shù)，從而大大提高了控制的性能。位置環(huán)控制器傳遞函數(shù)為：

其中Kp1，Kp2，Kp3分別為 I，Ⅱ，Ⅲ 區(qū)間的位置環(huán)比例系數(shù)。

位置環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

位置控制系統(tǒng)是包括 1 個(gè)積分環(huán)節(jié)和 3 個(gè)小慣性環(huán)節(jié)。將時(shí)間常數(shù)分別為Top，1/ωcn和TΣn的 3 個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并，近似為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為TΣp，俯仰傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比為N，則有：

位置環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化為：

式中，Kθ為位置環(huán)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Tp為位置環(huán)調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)。

綜上，如圖 6 所示為整個(gè)三環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)控制框圖。圖中Toi，Ton，Top分別為電流，速度，位置反饋濾波時(shí)間；β，α，γ 為速度，電流，γ 為位置反饋系數(shù)；Kφ為電機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；N為俯仰系統(tǒng)傳動(dòng)比；La為電樞電感，Rs為電樞繞組；J為負(fù)載及電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；R?為負(fù)載阻抗。

在進(jìn)行大量仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)不斷調(diào)試，得出表 2所示控制參數(shù)，變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)的俯仰角分為3 個(gè)個(gè)區(qū)間，0°～ 20° 為第 Ⅰ 個(gè)區(qū)間；20°～40° 為第 Ⅱ 個(gè)區(qū)間；40°～ 60° 度為第 Ⅲ 個(gè)區(qū)間。其中無(wú)論是經(jīng)典PID，還是分區(qū)間 PID 電流環(huán)的Kp、Ki，速度環(huán)的Kp、Ki的參數(shù)均固定不變，這是由于其參數(shù)跟所選俯仰電機(jī)的額定參數(shù)有關(guān)，不同的是經(jīng)典 PID 位置環(huán)Kp參數(shù)是固定的，而分區(qū)間 PID 位置環(huán)Kp參數(shù)由控制器根據(jù)給定輸入位置信號(hào)的大小來(lái)自行判斷來(lái)給定。

3 分區(qū)間控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺(tái)建立及分析

3.1 聯(lián)合仿真方法

基于 ADAMS 與 Matlab/Simulink 實(shí)現(xiàn)變質(zhì)量俯仰機(jī)系統(tǒng)機(jī)械與控制聯(lián)合仿真方法，機(jī)電聯(lián)合仿真平臺(tái)建模技術(shù)包括三維建模、動(dòng)力學(xué)建模、控制系統(tǒng)建模以及接口技術(shù)。對(duì)機(jī)械系統(tǒng)采用 PROE 建模，動(dòng)力學(xué)采用 ADAMS 建模，控制系統(tǒng)才 Matlab 軟件的 Simulink 模塊實(shí)現(xiàn)，聯(lián)合仿真平臺(tái)為 ADAMS/View 模塊和ADAMS/Control 模快。

ADAMS/Controls 模塊可以將機(jī)械系統(tǒng)仿真分析工具（ADAMS）同控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真軟件（MATLAB）有機(jī)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真[9]。ADAMS 和 Simulink 聯(lián)合仿真原理圖如7所示。在ADAMS 中定義機(jī)械系統(tǒng)輸入變量（包括電機(jī)角速度）、輸出變量（包括俯仰體角位移、角速度及負(fù)載扭矩變量），具體實(shí)現(xiàn)步驟如圖 8所示。

表2 經(jīng)典 PID 和分區(qū)間 PID 各控制器參數(shù)Tab. 2 Controller parameters of classical PID and inter-partition PID

3.2 控制系統(tǒng)仿真分析

變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)經(jīng)典 PID 控制和分區(qū)間 PID 控制仿真中，分別用俯仰角為給定的 θ=60?階躍信號(hào)和θ=30sin(π/5·t)正弦信號(hào)進(jìn)行仿真研究，結(jié)果如圖 9～圖 12 所示。θ=60?

如表 3和表 4，當(dāng)給定輸入 階躍信號(hào)時(shí)，經(jīng)典 PID 控制策略的上升時(shí)間大于 1.8 s，且誤差精度超過(guò) 0.5°，不能快速、穩(wěn)定的跟蹤，不能滿足實(shí)際工作需求；而采用分區(qū)間 PID 控制策略的上升時(shí)間小于 1.8 s，且誤差精度不超過(guò) 0.5°，能準(zhǔn)確、快速的跟蹤，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，能夠滿足實(shí)際工作需求。當(dāng)給定輸入的正弦信號(hào)時(shí)，經(jīng)典 PID 控制策略的滯后時(shí)間為 0.4 s；而采用分區(qū)間 PID 控制策略的滯后時(shí)間為 0.1 s，且誤差精度不超過(guò) 0.5°，能準(zhǔn)確、快速的跟蹤，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

不論是俯仰空載還是俯仰滿載的反饋曲線，分區(qū)間 PID 的控制策略都能滿足系統(tǒng)控制精度，滿足系統(tǒng)負(fù)載要求。對(duì)比經(jīng)典 PID 控制系統(tǒng)，分區(qū)間 PID 控制系統(tǒng)滿足功能上的俯仰角度區(qū)間要大。

4 控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究

對(duì)變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)裝置由 SG7100型交流伺服驅(qū)動(dòng)器與 1FT5 型交流永磁同步電機(jī)構(gòu)成。對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行樣機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)，控制系統(tǒng)分區(qū)間 PID 控制系統(tǒng)，給定幅值 30°、周期為 10 s 的角位移跟蹤信號(hào)，變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)的俯仰運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)跟蹤信號(hào)試驗(yàn)結(jié)果如圖所示。

表3 階躍信號(hào)輸入時(shí)俯仰系統(tǒng)俯仰運(yùn)動(dòng)位置響應(yīng)曲線Tab. 3 The position response curve of the pitching system with the step signal input

表4 正弦信號(hào)輸入時(shí)俯仰系統(tǒng)俯仰運(yùn)動(dòng)位置響應(yīng)曲線Tab. 4 The position response curve of the pitching system with sinusoidal signal input

變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)裝置物理樣機(jī)模型分別滿載工況和空載工況 2 種條件下進(jìn)行測(cè)試，分別針對(duì) 2 種不同的控制算法，在給定正弦信號(hào)條件，得到如表 5和表6 的正弦信號(hào)跟蹤系統(tǒng)響應(yīng)曲線相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

表5 經(jīng)典 PID 正弦信號(hào)輸入系統(tǒng)響應(yīng)曲線Tab. 5 Classic PID sine signal input system response curve

表6 分區(qū)間 PID 正弦信號(hào)輸入系統(tǒng)響應(yīng)曲線Tab. 6 Inter-partition PID sine signal input system response curve

從表中可看出，無(wú)論是滿載工況，還是空載工況，2 種控制方式都能比較穩(wěn)定、快速的跟蹤正弦信號(hào)。但相對(duì)來(lái)說(shuō)，經(jīng)典 PID 的滯后時(shí)間明顯比分區(qū)間PID 的大。對(duì)變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)行聯(lián)合仿真的大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上得到各種參數(shù)，設(shè)計(jì)出變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ诮?jīng)典 PID 控制算法和分區(qū)間 PID 控制算法進(jìn)行了變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)物理樣機(jī)調(diào)試試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了所建立機(jī)械模型和控制方法的可行性、正確性、快速性和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語(yǔ)

在研究變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)在虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，以變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)裝置虛擬樣機(jī)為研究對(duì)象，以提高傳動(dòng)系統(tǒng)的位置控制快速性和準(zhǔn)確性及減小轉(zhuǎn)速波動(dòng)為主要目標(biāo)，提出分區(qū)間 PID 控制算法，通過(guò)仿真與物理樣機(jī)試驗(yàn)，對(duì)比分析經(jīng)典 PID 和分區(qū)間PID 控制算法的位置控制準(zhǔn)確性和快速性。所做的研究工作和結(jié)論如下：

1）建立適用于永磁同步電機(jī)的三環(huán) PID 控制系控制模型。

2）針對(duì)經(jīng)典 PID 控制系統(tǒng)在工程實(shí)踐中的缺點(diǎn)，提出了位置環(huán)分區(qū)間 PID 控制策略，通過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物試驗(yàn)，驗(yàn)證了分區(qū)間 PID 控制策略的適用性、準(zhǔn)確性。

3）物理樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了分區(qū)間 PID 控制算法能有效提高變質(zhì)量俯仰系統(tǒng)控制精度。

[1]方子帆, 高術(shù), 周剛, 等. 大俯仰機(jī)構(gòu)布局方案優(yōu)化方法及應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2015, 31(1): 17-21.

[2]劉金琨.先進(jìn) PID 控制 MATLAB 仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004:102-128.

[3]XU Wu-jiao, QIN Da-tong, SHI Wan-kai. Research and development of a digital design system for hull structures[J]. Journal of Marine Science and Application, 2007, 02(19):37-43.

[4]LEE Dong-chan, HAN Chang-soo. CAE (computer aided engineering) driven durability model verification for the automotive structure development[J]. Finite Elements in Analysis and Design, 2009, 45(5): 324-332.

[5]JAULINL, LIEFFERMN, DIDRITO, et al.Applied interval analysis with examlples in parameter and state estimation, robust control and robotics[M]. springer-Verlag, 2001.

[6]KHARITONOV V L. Asymptotic stability of an equilibrium position of a family of systems of linear differential equtions[J]. Differential Equtions, 1978, 14:2086-2088(in Rusian)

[7]CHAPELLAT H, BHATTACHARYYA S P. A generalization of Kharitonov’s theorem:Robust stability of interval plants [J]. IEEE-Tr-Auto-Control, 1990, 34(3): 306-311.

[8]徐峰, 李東海, 薛亞麗, 等. 基于區(qū)間多項(xiàng)式穩(wěn)定性理論的 PID控制器[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003(12):1642-1645.

[9]李斌茂, 錢志博, 程洪杰, 等. AUV 發(fā)動(dòng)機(jī)的 ADAMS/ MATLAB 聯(lián)合仿真研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2010, 22(7): 1668-1673.

Research on the inter-partition PID control algorithm location tracking of variable mass pitching systems

FANG Zi-fan1,2,3, MA Zeng-wu1, YANG Shou-qi1, GE Xu-fu1, YANG Wei-hua1
(1. College of Mechanical &Power Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2. New Energy and Micro Grid Collaborative Innovation Center in Hubei Province, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 3. Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design and Maintenance, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)

The variable mass pitching systems along with load quality and its pitch angle displacementand the same as its position of the center of the pitching and driving torque changes etc..To design the adaptive control strategy, we put forward the inter-partition PID control algorithm for the driven motor of the luffing mechanism.To design the adaptive control strategy, we put forward the inter-partition PID control algorithm for the driven motor of the luffing mechanism.To position servo precision and follow-up time as the goal, according to the pitch rate feedback, three interval PID control algorithm is designed. Based on ADAMS and Simulink simulation technology, we established the virtual prototype model of variable quality pitching system.Through simulation and physical prototype test, the classical PID and the inter-partition PID control algorithm are compared and analyzed by the position control accuracy and rapidity.The results show that, within the scope of the regulation response time, the error precision is less than 0.5°, the inter-partition PID control algorithm can effectively improve the control accuracy of the variable mass pitching system

variable mass luffing system；three-loop control system；inter-partition PID control algorithm；joint simulation

TJ391

A

1672 - 7619(2017)04 - 0116 - 06

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.023

2016 - 08 - 03；

2016 - 09 - 14

方子帆(1963 - )，男，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制。