基于體育輔助訓(xùn)練器速度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的研究與分析＊

茍小平 ,張萬軍 ,張 峰 ,張景軒 ,張景怡 ,張景妍

（1.隴東學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；2.甘肅澤德電子技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741003；3.蘭州工業(yè)化設(shè)備有限公司，甘肅 蘭州 730050）

體育輔助訓(xùn)練器速度調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和更快的響應(yīng)速度有著更高的要求，運(yùn)動(dòng)員在攀爬過程中存在著許多不確定因素，傳統(tǒng)的控制策略的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)調(diào)速效果不理想。體育鍛煉輔助機(jī)器人在國外已經(jīng)研究了幾十年，到目前為止已經(jīng)推出了許多商用的移動(dòng)產(chǎn)品[1-3]。

文章所研究的輔助機(jī)器人[4]的驅(qū)動(dòng)部件[5-8]核心是無刷直流電機(jī)，能夠滿足上下建筑的通用功能，具有較低的成本和較高的性價(jià)比。無刷直流電機(jī)常用的速度控制方法有PID 控制[9-10]、交叉耦合控制[11-12]、模糊控制、最優(yōu)控制[13]等。甘肅澤德電子技術(shù)有限公司的教授級(jí)高工、高級(jí)經(jīng)濟(jì)師、博士張萬軍研究了一些模型辨識(shí)控制系統(tǒng)[14-22體育鍛煉輔助機(jī)器人。

文章給出了一種基于體育輔助訓(xùn)練器速度調(diào)節(jié)控制的算法，建立了一種基于體育輔助訓(xùn)練器速度調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，利用MATLAB 進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明：輔助訓(xùn)練器的測(cè)試曲線與輔助訓(xùn)練器的實(shí)際基本上相一致，更穩(wěn)定，舒適度更高，誤差更小，精度更高，符合輔助訓(xùn)練實(shí)際教學(xué)和體育鍛煉的要求。在隴東學(xué)院體育學(xué)院實(shí)驗(yàn)取得良好的效果；同時(shí)，在其他的地方體育的教學(xué)和訓(xùn)練具有較強(qiáng)的借鑒意義。

2 體育輔助訓(xùn)練器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電機(jī)、一個(gè)傳動(dòng)減速裝置和兩個(gè)連接到爬樓傳動(dòng)減速裝置的連桿小輪組成，其核心是一個(gè)無刷直流電機(jī)。為了簡化研究模型，假設(shè)電機(jī)的三相繞組是完全對(duì)稱的，不考慮渦流和磁滯損耗。其核心是一個(gè)無刷直流電機(jī)。為了簡化研究模型，假設(shè)電機(jī)的三相繞組是完全對(duì)稱的，不考慮渦流和磁滯損耗。定子繞組產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)矩：

ia，ib，ic:表示為定子繞組相電流；ea，eb，ec:表示為定子繞組相電動(dòng)勢(shì)。得到公式（2）：無刷直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式、電磁轉(zhuǎn)矩和電流幅值為可控轉(zhuǎn)矩，方波電流需要電角差，并得到運(yùn)動(dòng)方程。

式（2），（3）中：

Te——電磁轉(zhuǎn)矩；

Tl——負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

B——阻尼系數(shù)；

ω——電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

J——電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

式（3）中，Tt為系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J 為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kt為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Kr為阻尼系數(shù)，ω 為機(jī)械角速度。

3 體育輔助訓(xùn)練器速度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)負(fù)反饋控制可以保證系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下無靜差，但不能根據(jù)需要控制電機(jī)的電流或轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)過程，主要用于動(dòng)態(tài)特性較低的場合。體育輔助訓(xùn)練器的驅(qū)動(dòng)部件的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。

圖1 體育輔助訓(xùn)練器的驅(qū)動(dòng)部件的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)分析

在本實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000rmin。減速比為1:150 后，車輪的預(yù)期轉(zhuǎn)速為20rmin。體育輔助訓(xùn)練器的總重量約為50kg，乘員的重量設(shè)定為80kg。質(zhì)量之和約為130kg，重力G 為130N，連桿支撐點(diǎn)到體育輔助訓(xùn)練器重心垂直線的水平距離d約為0.1m，因此，在本次模擬試驗(yàn)中，無人乘坐時(shí)，電機(jī)的負(fù)載扭矩約為0.33N·m，負(fù)載扭矩為乘坐時(shí)的電機(jī)約為0.87N·m。

4.1 MATLAB 仿真

一種基于體育輔助訓(xùn)練器速度調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，利用MATLAB 進(jìn)行仿真。MATLAB 仿真圖，如圖2 所示。

圖2 MATLAB 仿真圖

4.2 輔助訓(xùn)練器的測(cè)試曲線與實(shí)際曲線的比較

輔助訓(xùn)練器的測(cè)試曲線與實(shí)際曲線的比較圖，如圖3～6 所示。

圖3 測(cè)試曲線與實(shí)際曲線的比較圖1

圖4 測(cè)試曲線與實(shí)際曲線的比較圖2

輔助訓(xùn)練器的測(cè)試曲線與輔助訓(xùn)練器的實(shí)際曲線基本上相一致，符合輔助訓(xùn)練實(shí)際教學(xué)和體育鍛煉的要求，在隴東學(xué)院體育學(xué)院實(shí)驗(yàn)取得良好的效果；同時(shí)，在其他的地方體育的教學(xué)和訓(xùn)練具有較強(qiáng)的借鑒意義。

由圖3～6 可知，其仿真結(jié)果表明：輔助訓(xùn)練器的測(cè)試曲線與輔助訓(xùn)練器的實(shí)際基本上相一致，更穩(wěn)定，舒適度更高，誤差更小，精度更高，符合輔助訓(xùn)練實(shí)際教學(xué)和體育鍛煉的要求。

4.2 實(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在隴東學(xué)院體育由茍小平副教授進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析由甘肅省澤德電子技術(shù)有限公司的教授級(jí)高級(jí)工程師、高級(jí)經(jīng)濟(jì)師、博士張萬軍進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。輔助訓(xùn)練器實(shí)際測(cè)試的照片，如圖7所示。

圖5 測(cè)試曲線與實(shí)際曲線的比較圖3

圖6 測(cè)試曲線與實(shí)際曲線的比較圖4

圖7 輔助訓(xùn)練器實(shí)際測(cè)試的照片

輔助訓(xùn)練器的測(cè)試與輔助訓(xùn)練器的實(shí)際檢測(cè)基本上相一致，更穩(wěn)定，舒適度更高，符合輔助訓(xùn)練實(shí)際教學(xué)和體育鍛煉的要求。

5 結(jié)論

1）本文給出了一種基于體育輔助訓(xùn)練器速度調(diào)節(jié)控制的算法，建立了一種基于體育輔助訓(xùn)練器速度調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，利用MATLAB 進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明：輔助訓(xùn)練器的測(cè)試曲線與輔助訓(xùn)練器的實(shí)際基本上相一致，更穩(wěn)定，舒適度更高，誤差更小，精度更高，符合輔助訓(xùn)練實(shí)際教學(xué)和體育鍛煉的要求。

2）在隴東學(xué)院體育學(xué)院實(shí)驗(yàn)取得良好的效果；同時(shí)，在其他的地方體育的教學(xué)和訓(xùn)練具有較強(qiáng)的借鑒意義。