潘衛(wèi)東, 范元?jiǎng)祝?雷建杰,3, 曹大偉
(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 南京,210094) (2.上海航天控制技術(shù)研究所 上海,201109)(3.上海機(jī)電工程研究所 上海,201109)
在硬件環(huán)仿真技術(shù)(hardware in the loop,簡(jiǎn)稱HIL)中,加載測(cè)試系統(tǒng)是一種至關(guān)重要的仿真測(cè)試設(shè)備,一般應(yīng)用于航空航天以及國(guó)防等領(lǐng)域,主要模擬航天舵機(jī)與直線機(jī)構(gòu)在實(shí)際工況中所受到的外界交變載荷,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)舵機(jī)的加載仿真測(cè)試[1]。通過加載系統(tǒng)可以測(cè)試出舵機(jī)的位置跟蹤精度與控制性能等指標(biāo)[2]。電動(dòng)直線加載測(cè)試系統(tǒng)主要以直流力矩電機(jī)(DC torque motor,簡(jiǎn)稱DCTM)或者永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous motor,簡(jiǎn)稱PMSM)作為驅(qū)動(dòng)元件,具有響應(yīng)快速和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此,在某些中小型加載測(cè)試場(chǎng)合正逐漸取代傳統(tǒng)的電液式加載系統(tǒng)[3]。
筆者開發(fā)了一套電動(dòng)直線加載測(cè)試系統(tǒng),主要針對(duì)電動(dòng)直線舵機(jī)進(jìn)行加載測(cè)試。ELLTS 除了具有非線性因素以及模型參數(shù)不確定等問題外,其最大的問題是由于舵機(jī)運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)引起的多余力[4]。ELLTS 需要在力加載(跟蹤)的同時(shí)跟隨舵機(jī)一同運(yùn)動(dòng),舵機(jī)的位置擾動(dòng)引起的那部分力稱之為多余力,其存在會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的加載精度。因此,研究如何通過抑制多余力矩(力)來提高加載系統(tǒng)的加載性能是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。
鑒于多余力矩是降低加載系統(tǒng)的魯棒性以及力矩跟蹤誤差的重要因素,諸多抑制多余力矩的方法被提出來。雙定子電機(jī)實(shí)現(xiàn)了加載系統(tǒng)與舵機(jī)之間的參數(shù)解耦,為實(shí)現(xiàn)多余力的抑制提供了可行方案[5-6]。另外,基于結(jié)構(gòu)不變性原理的擾動(dòng)前饋補(bǔ)償方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,因此在工程中使用最多[7-9]。Jiao等[10]基于電液負(fù)載模擬器與舵機(jī)位置伺服系統(tǒng)的相似性,提出了同步速度補(bǔ)償策略。文獻(xiàn)[11-13]針對(duì)同步速度補(bǔ)償策略提出了改進(jìn)設(shè)計(jì),經(jīng)實(shí)驗(yàn)均獲得了較好動(dòng)態(tài)加載效果。文獻(xiàn)[14-15]設(shè)計(jì)了非線性魯棒控制器,不僅能夠抑制多余力,還能對(duì)摩擦等非線性因素進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[16-17]提出模糊比例積 分 微 分(proportional-integral-derivative,簡(jiǎn) 稱PID)控制,提升了加載系統(tǒng)的魯棒性。黃婷等[18]采用模糊PID 控制實(shí)現(xiàn)了力的恒定控制。文獻(xiàn)[19-20]采用迭代學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)了加載系統(tǒng)的多余力矩消除。
本研究旨在解決由于直線舵機(jī)運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)引起的多余力的問題。針對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償在實(shí)際使用中存在的問題,借鑒電液等效法,提出了一種更易應(yīng)用于直線式加載系統(tǒng)的改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償策略。該策略采用舵機(jī)位移指令與力傳感器信號(hào)作為補(bǔ)償,省去了安裝速度傳感器。
圖1 為ELLTS 與舵機(jī)系統(tǒng)耦合圖。圖中左側(cè)為ELLTS 系統(tǒng),由PMSM、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩傳感器和滾珠絲杠組成,通過運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送力指令F?到PMSM 驅(qū)動(dòng)器來控制PMSM 輸出轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩經(jīng)過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)矩傳感器之后,通過滾珠絲杠轉(zhuǎn)化為直線力F。直線舵機(jī)系統(tǒng)通過不斷給舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送位置指令L*來實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的位置伺服控制。
圖1 ELLTS 與舵機(jī)系統(tǒng)耦合圖Fig.1 Coupling diagram of ELLTS and actuator system
1.1.1 PMSM 建模
PMSM 為加載單元,主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。通常采用d-q軸系對(duì)PMSM 進(jìn)行建模,建模時(shí)一般令d軸的id=0。PMSM 的電壓平衡方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程及轉(zhuǎn)矩平衡方程如式(1)~(3)所示,具體推導(dǎo)過程見文獻(xiàn)[21]。
其 中:Uq為q軸 輸 入 電 壓;Iq為q軸 輸 入 電 流;Lm與Rm分別為電機(jī)等效電感與等效電阻;ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)速;Kt與Ke分別為轉(zhuǎn)矩系數(shù)與反電動(dòng)勢(shì)系數(shù);Te為電磁轉(zhuǎn)矩;Bm為阻尼系數(shù);Jm為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
1.1.2 轉(zhuǎn)矩傳感器建模
在對(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器建模時(shí),通常將其等效為彈性體,滿足線性胡克定理[19]
其中:θm為電機(jī)輸出角位移;θl為滾珠絲杠角位移;KA為剛度系數(shù);Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
1.1.3 滾珠絲杠建模
滾珠絲杠輸出位移與輸入角度的轉(zhuǎn)換關(guān)系與導(dǎo)程P有關(guān)。輸入角位移與輸出位移也與導(dǎo)程P有關(guān),其轉(zhuǎn)換關(guān)系式分別為
其中:L為滾珠絲杠輸出位移;θl為輸入角位移;F為輸出直線力。
由于電機(jī)內(nèi)部阻尼較小,為簡(jiǎn)化分析,令Bm=0,綜合式(1)~(6),得到ELLTS 系統(tǒng)的表達(dá)式為
其中
電動(dòng)直線舵機(jī)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)輸出角位移分別經(jīng)過減速器與滾珠絲杠轉(zhuǎn)化為直線位移,其數(shù)學(xué)模型與PMSM 類似。舵機(jī)數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式[21]為
其中:L*為舵機(jī)輸入指令;F為ELLTS 輸出直線力;Ga1(s)為舵機(jī)前向通道特性;Ga2(s)為舵機(jī)擾動(dòng)通道特性。
綜合式(7)~(12)得到兩系統(tǒng)耦合的綜合模型,系統(tǒng)綜合控制框圖如圖2 所示。從圖2 可知,ELLTS 與舵機(jī)系統(tǒng)存在較強(qiáng)的耦合特性,ELLTS輸出的直線力會(huì)影響舵機(jī)的位移輸出精度,同時(shí)舵機(jī)的位置擾動(dòng)會(huì)降低ELLTS 的力輸出精度。因此,如何通過抑制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)來提高ELLTS 的加載精度是本研究的核心。
從式(7)可以看出,引起ELLTS 多余力的擾動(dòng)與舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān),擾動(dòng)前饋補(bǔ)償策略將舵機(jī)速度看成擾動(dòng)[11]。圖3 為傳統(tǒng)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償原理圖。圖3 中,Gn1與Gn2的表達(dá)式如式(8),(9)所示。從理論上說,只要補(bǔ)償函數(shù)Gc滿足Gn2=Gn1Gc,舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)對(duì)ELLTS 的影響就可以完全實(shí)現(xiàn)消除。綜合式(7)~(9),得到傳統(tǒng)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償策略的表達(dá)式為
圖2 系統(tǒng)綜合控制框圖Fig.2 Control block diagram for two systems
圖3 傳統(tǒng)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償原理圖Fig.3 Principle diagram of traditional disturbance feedforward compensation
式(13)中,補(bǔ)償項(xiàng)分別為速度補(bǔ)償、加速度補(bǔ)償以及加加速度補(bǔ)償。在實(shí)際應(yīng)用中,由于控制器Gc中存在高階微分特性、易引入噪聲、模型非線性誤差、補(bǔ)償信號(hào)滯后及速度傳感器安裝精度等因素,使控制器的設(shè)計(jì)較為困難[11]。因此在設(shè)計(jì)控制器時(shí),通常采用速度信號(hào)(常數(shù)項(xiàng))進(jìn)行近似補(bǔ)償,由此造成中高頻時(shí)的補(bǔ)償效果較差。另外,舵機(jī)電位計(jì)反饋信號(hào)微分后的速度信號(hào)存在一定的噪聲與相位滯后,進(jìn)一步造成了實(shí)際補(bǔ)償效果較差、難以實(shí)現(xiàn)較高頻率的擾動(dòng)抑制[12-13]。
為了提高ELLTS 加載精度并拓寬系統(tǒng)加載頻寬,在對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償分析的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償策略。該策略不需要速度傳感器的反饋信號(hào),也不需要舵機(jī)速度高階微分信號(hào),省去了傳統(tǒng)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償中速度傳感器的安裝,在工程中使用更為方便。改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償方案原理如圖4 所示。圖中,Gc1與Gc2分別為舵機(jī)位移指令補(bǔ)償項(xiàng)與輸出直線力補(bǔ)償項(xiàng)。
圖4 改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償原理圖Fig.4 Principle diagram of improved disturbance feedforward compensation
依據(jù)前饋補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)思想[22],理論上,只要Gc1與Gc2滿足式(14)~(15)
就可以消除舵機(jī)速度擾動(dòng)對(duì)加載精度的影響。
控制器Gc1與Gc2的表達(dá)式為
由于LmJm/Kt,RmJm/Kt與LdJd為極小項(xiàng),則補(bǔ)償控制器可簡(jiǎn)化為
為便于控制器的工程實(shí)現(xiàn),將式(18),(19)進(jìn)一步簡(jiǎn)化,得到
其中:Kcom為補(bǔ)償增益;Tcom,T1,T2與T3為補(bǔ)償系數(shù)。
與傳統(tǒng)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償相比,所提出的控制策略具有以下優(yōu)點(diǎn):①不需要安裝系統(tǒng)速度傳感器,僅需要舵機(jī)的輸入指令信號(hào)與力傳感器反饋信號(hào)作為補(bǔ)償項(xiàng),在工程實(shí)際應(yīng)用中十分方便;②與舵機(jī)反饋信號(hào)相比,舵機(jī)輸入信號(hào)無噪聲影響,信號(hào)品質(zhì)更好,更適合作為補(bǔ)償信號(hào);③在控制器的設(shè)計(jì)中,改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償策略由于引入了舵機(jī)的模型,考慮了舵機(jī)自身響應(yīng)特性的影響,能在線預(yù)估舵機(jī)的實(shí)際輸出特性并進(jìn)行擾動(dòng)補(bǔ)償,可實(shí)現(xiàn)較高頻率擾動(dòng)抑制。
多余力定義為僅由舵機(jī)運(yùn)動(dòng)所引起的力,其存在會(huì)嚴(yán)重降低ELLTS 的動(dòng)態(tài)加載精度。多余力抑制仿真旨在評(píng)價(jià)文中所提出改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償策略對(duì)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)的抑制能力,從而從理論上驗(yàn)證該算法的合理性與可行性。仿真時(shí)通常使加載前向通道輸入值為0,僅舵機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),此時(shí)觀察ELLTS系統(tǒng)對(duì)多余力的抑制能力。
為驗(yàn)證筆者提出的控制方法的合理性與可行性,針對(duì)文中提出的控制策略進(jìn)行多余力抑制仿真驗(yàn)證。采用SIMULINK 軟件搭建如圖5 所示的ELLTS 與直線舵機(jī)系統(tǒng)模型。設(shè)計(jì)了所提出的控制器,以實(shí)現(xiàn)該控制策略的仿真驗(yàn)證。ELLTS 仿真參數(shù)如表1 所示。
圖5 耦合系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of coupling system
表 1 ELLTS 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters for ELLTS
令ELLTS 力指令為0,分別使直線舵機(jī)進(jìn)行幅值為5 mm、頻率為1 Hz(簡(jiǎn)寫為5 mm-1 Hz),幅值為2 mm、頻率為5 Hz(簡(jiǎn)寫為2 mm-5 Hz)與幅值為1 mm、頻率為10 Hz(簡(jiǎn)寫為1 mm-10 Hz)的正弦跟蹤。為了驗(yàn)證補(bǔ)償前后的效果,先對(duì)僅采用力閉環(huán)PID 控制的ELLTS 進(jìn)行仿真,再引入提出的控制器重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。多余力仿真結(jié)果如圖6 所示??梢?,由于舵機(jī)運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)的存在,在舵機(jī)分別進(jìn)行5 mm-1 Hz,2 mm-5 Hz 與1 mm-10 Hz 正弦信號(hào)跟蹤時(shí),僅采用力閉環(huán)控制的ELLTS 系統(tǒng)產(chǎn)生的多余力幅值分別達(dá)到了185.9,263.3 和438.8 N(紅色虛線),系統(tǒng)受舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)比較大;采用了改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)腅LLTS 的多余力明顯減?。ㄋ{(lán)色實(shí)線),多余力幅值分別降至15.1,30.5 與59.6 N。筆者提出的補(bǔ)償策略的多余力抑制率分別達(dá)到93.2%,90.1% 和85.5%,多余力抑制效果較為理想。
圖7 為實(shí)驗(yàn)室搭建的ELLTS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái),從右到左分別為PMSM、波紋管聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩傳感器、滾珠絲杠、力傳感器和直線舵機(jī)??刂瞥绦虿捎肔ab-VIEW 編寫,控制周期為0.1ms。實(shí)驗(yàn)臺(tái)ELLTS 主要元件如表2 所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的某型號(hào)電動(dòng)直線舵機(jī)的測(cè)試要求,ELLTS 相關(guān)技術(shù)參數(shù)為:①加載力范圍為0~3000 N;②加載行程為0~15 mm(舵機(jī)行程為5 mm);③靜態(tài)加載頻率為0~15 Hz;④動(dòng)態(tài)加載頻率為0~8 Hz。
圖6 多余力仿真結(jié)果Fig.6 Surplus force simulation results
圖7 ELLTS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Experimental platform for ELLTS
表2 ELLTS 主要元件Tab.2 Main component of ELLTS
為驗(yàn)證所提出策略在舵機(jī)不同頻率、不同幅值運(yùn)行時(shí)的多余力抑制能力,設(shè)計(jì)了若干組多余力抑制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)令ELLTS 加載指令為0,結(jié)合舵機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況,分別使舵機(jī)帶動(dòng)ELLTS 在5 Hz 與5 mm 以內(nèi)作不同頻率與幅值的正弦運(yùn)動(dòng),并實(shí)時(shí)采集力傳感器輸出數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)了3 組對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案:方案1 僅力閉環(huán)控制,無擾動(dòng)補(bǔ)償;方案2 傳統(tǒng)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償;方案3 改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償。
舵機(jī)運(yùn)行在幅值為5 mm、頻率為0.5 Hz(簡(jiǎn)寫為5 mm-0.5 Hz),幅值為3 mm、頻率為1 Hz(簡(jiǎn)寫為3 mm-1 Hz),幅值為1 mm、頻率為2 Hz(簡(jiǎn)寫為1 mm-2 Hz)和幅值為0.5 mm、頻率為5 Hz(簡(jiǎn)寫為0.5 mm-5 Hz)等4 組正弦信號(hào)時(shí)的多余力曲線如圖8 所示??梢姡何床捎萌魏窝a(bǔ)償策略的方案1(紅色虛線)的多余力最大;方案2(綠色點(diǎn)劃線)抑制效果在低頻時(shí)較好,但隨著頻率的升高,多余力抑制效果逐漸變差;方案3(藍(lán)色實(shí)線)的多余力抑制效果最佳。筆者采用改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)腅LLTS 在4 次實(shí)驗(yàn)時(shí)的多余力抑制率分別達(dá)到89.7%,89.4%,84.1%和81.1%,相比傳統(tǒng)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償,所提出的控制策略多余力抑制效果有所提高,系統(tǒng)抗擾能力進(jìn)一步增強(qiáng)。
為評(píng)價(jià)改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償在舵機(jī)運(yùn)行不同頻率與幅值時(shí)的多余力抑制能力,改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償多余力抑制率如表3 所示??梢钥闯?,在較低頻率時(shí),ELLTS 的多余力抑制率達(dá)到80%以上,較高頻率的抑制率也達(dá)到了65%以上??梢?,采用改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制效果較好。
為衡量ELLTS 在舵機(jī)位移擾動(dòng)下的直線力加載精度,針對(duì)典型加載工況(ELLTS 與舵機(jī)同頻率且同時(shí)運(yùn)行),實(shí)驗(yàn)1 使舵機(jī)作幅值為5 mm、頻率為1 Hz(簡(jiǎn)寫為5 mm-1 Hz)的正弦運(yùn)動(dòng),ELLTS 正弦加載指令為1 kN-1 Hz(幅值為1 kN、頻率為1 Hz);實(shí)驗(yàn)2 使舵機(jī)作幅值為2 mm、頻率為3 Hz(簡(jiǎn)寫為2 mm-3 Hz)的正弦運(yùn)動(dòng),正弦加載指令為1 kN-3 Hz(幅值為1 kN、頻率為3 Hz)。同樣設(shè)計(jì)3 組實(shí)驗(yàn)方案:方案1 僅力閉環(huán)控制,無擾動(dòng)補(bǔ)償;方案2傳統(tǒng)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償;方案3 改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9,10 所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖11為3 組方案的動(dòng)態(tài)加載精度統(tǒng)計(jì)圖。
圖8 多余力實(shí)驗(yàn)Fig.8 Surplus force experiments
表3 改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償多余力抑制率Tab.3 Surplus torque suppression ratio for improved disturbance feedforward compensation
圖9 舵機(jī)跟蹤5 mm-1 Hz,力跟蹤1 kN-1 HzFig.9 Actuator tracks 5 mm-1 Hz,force tracks 1 kN-1 Hz
由于舵機(jī)運(yùn)動(dòng)擾動(dòng),未采用補(bǔ)償策略的ELLTS的動(dòng)態(tài)加載效果較差,其相位滯后與幅值誤差分別如圖11 所示。采用傳統(tǒng)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償能夠抑制大部分的多余力,而采用了改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)牧敵鼍茸詈茫虞d精度進(jìn)一步提高,2 次加載的相位滯后均在10°以內(nèi),且誤差幅值分別為5.6% 和9.1%,均在10%以內(nèi),滿足雙十指標(biāo)[3],動(dòng)態(tài)加載精度明顯提升。
圖10 舵機(jī)跟蹤2 mm-3 Hz,力跟蹤1 kN-3 HzFig.10 Actuator tracks 2 mm-3 Hz,force tracks 1 kN-3 Hz
圖11 動(dòng)態(tài)加載精度統(tǒng)計(jì)圖Fig.11 Statistical chart of dynamic loading accuracy
1)在傳統(tǒng)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上,提出了基于舵機(jī)位移指令信號(hào)的改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償策略。該策略無高階微分特性與噪聲干擾,更適合作補(bǔ)償,且不需要舵機(jī)傳感器反饋信號(hào),省去了速度傳感器的安裝,更適用于工程中。
2)為了驗(yàn)證該策略的理論正確性,采用SIMULINK 軟件搭建了ELLTS 與直線舵機(jī)耦合模型,對(duì)所提出方法進(jìn)行多余力仿真驗(yàn)證。仿真證明,該策略能夠較好地抑制多余力。
3)搭建了ELLTS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在動(dòng)態(tài)加載頻率內(nèi),所提出算法的多余力較傳統(tǒng)補(bǔ)償方法抑制率提高,能夠?qū)崿F(xiàn)較高頻率的多余力抑制。另外,在典型加載工況下,與僅采用力閉環(huán)控制和傳統(tǒng)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償相比,采用改進(jìn)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)腅LLTS 加載精度進(jìn)一步提高,幅值誤差和相位誤差都在10%以內(nèi),滿足雙十指標(biāo)。