機(jī)載高精度兩軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)力學(xué)分析及聯(lián)合仿真

胡書(shū)凱 肖淞文 張成祥 孫智鵬

摘要：兩軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的主要功能是通過(guò)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的精確跟蹤和定位功能以及激光通信系統(tǒng)，確保激光發(fā)射軸的準(zhǔn)確方向。使用3D建模軟件UG對(duì)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)執(zhí)行建模和組裝3D模型，并基于多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS仿真環(huán)境構(gòu)建伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械虛擬原型模型。MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)用于構(gòu)建實(shí)時(shí)模擬和分析的模擬模型，不僅可以使用該模型指導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，而且可以為跟蹤伺服運(yùn)行轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)提供可靠的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：兩軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái) UG ADAMS MATLAB/SIMULINK虛擬樣機(jī)

Abstract：The main function of the two-axis servo turntable is to ensure the correct direction of the laser emission shaft through the precise tracking and positioning function of the servo turntable and the laser communication system. Model and assemble 3D models on servo turntables using 3D modeling software UG， and build mechanical virtual prototype models of servo turntables based on the ADAMS simulation environment of the multi-body dynamics analysis software. The MATLAB/SIMULINK simulation platform is used to build simulation models for real-time simulation and analysis， not only can the model be used to guide the adjustment of actual system parameters， but also can provide a reliable standard for tracking the design of servo running turntables.

Key words：Two axis servo turntable UGADAMSMATLAB/SIMULINK Virtual prototype

0 前言

雙軸跟蹤控制算法伺服電機(jī)設(shè)定位置/速度，控制發(fā)動(dòng)機(jī)和相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，確保轉(zhuǎn)臺(tái)的二維結(jié)構(gòu)的匹配。雙軸伺服電機(jī)是利用機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制算法設(shè)計(jì)的。與物理樣品模型相比，通過(guò)直接設(shè)計(jì)和測(cè)試的虛擬模擬和模擬模型，可以充分利用計(jì)算機(jī)模擬的優(yōu)勢(shì)，如：無(wú)論是成本低、安全性高，各種快速設(shè)計(jì)方案等，[1]這對(duì)于快速設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)二維平臺(tái)至關(guān)重要。本文以兩軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)為例，應(yīng)用UG軟件建立二維轉(zhuǎn)臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)部件模型，并進(jìn)行二維轉(zhuǎn)臺(tái)整機(jī)的虛擬裝配。然后利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams的數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入U(xiǎn)G虛擬機(jī)械模型幾何數(shù)據(jù)建立方位二維轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械虛擬樣機(jī)仿真模型，并結(jié)合Matlab/Simulink建立包含兩軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)控制模型的聯(lián)合仿真模型，并基于該聯(lián)合仿真模型進(jìn)行方位二維轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)態(tài)性能仿真研究，以驗(yàn)證該聯(lián)合仿真技術(shù)應(yīng)用于二維轉(zhuǎn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)的可行性。

1基于Adams和Matlab/Simulink的聯(lián)合仿真技術(shù)

Adams是目前全球應(yīng)用最廣泛的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件，集建模、解析和視覺(jué)化技術(shù)為一體，ADOMS軟件具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，具有ADOMS/controls模塊，可與Simlink等控制模擬設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)[2].Matlab/Simlink是一種開(kāi)放、功能強(qiáng)的模擬工具，是一種線性、非線性、用于模擬連續(xù)或分散的系統(tǒng)，它提供了多種模塊模型，以用戶構(gòu)圖的形式快速構(gòu)建所有復(fù)雜的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型的構(gòu)建和模擬研究。

二維轉(zhuǎn)臺(tái)聯(lián)合模擬屬于與機(jī)械動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的聯(lián)合模擬[3]，ADAMS/VIEW主要用于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建。我們利用adams/control和matlab信息分析了仿真軟件的控制模塊，包括與三維裝配模型的約束關(guān)系。adams/view模塊提供了一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)模型，并求解了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方程。matlab軟件提供了模擬軟件的模型。控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)基于通過(guò)求解方程結(jié)合合理步長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)相互作用并基于機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的協(xié)作模擬的虛擬樣品。

伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真必須在Adams中完成，因此需要將簡(jiǎn)化的3D模型引入Adams。方法是將文件以Parsold格式保存在Soliworks中，然后將其導(dǎo)入Adams，需要編輯從Adams導(dǎo)入的組件，以定義其慣性矩，質(zhì)量，材料和其他相關(guān)屬性。這樣虛擬原型和真實(shí)原型將具有相同或相似的物理屬性，以更好地模擬系統(tǒng)。為了模擬二維伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，需要為導(dǎo)入的Adams模型定義約束和驅(qū)動(dòng)器[4]，如圖3所示。

在定義好各個(gè)約束后，方位軸和俯仰軸的各個(gè)零件之間便具有確定的約束關(guān)系，這樣可以保證彷真時(shí)各個(gè)零部件能夠有正確的運(yùn)動(dòng)。

2二維轉(zhuǎn)臺(tái)虛擬樣機(jī)仿真模型

2.1二維轉(zhuǎn)臺(tái)工作原理

二維方位轉(zhuǎn)臺(tái)主要由方位電機(jī)，伺服控制器，動(dòng)力伺服控制，方位傳感器等組合組成。二維轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備安裝在發(fā)射器的轉(zhuǎn)臺(tái)上，接收控制信號(hào)，進(jìn)行組合位置和速度反饋信號(hào)以執(zhí)行復(fù)雜的處理并驅(qū)動(dòng)電機(jī)以控制觸發(fā)器的方位角旋轉(zhuǎn)。根據(jù)給定的規(guī)則自動(dòng)跟蹤方位角和運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)完全瞄準(zhǔn)，可以提供精確方向[5]。二維轉(zhuǎn)臺(tái)的框圖如圖4所示。

2.2系統(tǒng)組成

二維轉(zhuǎn)臺(tái)主要由俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)部分，方位轉(zhuǎn)臺(tái)部分，基座部分和接口切換部分組成。主要功能是實(shí)現(xiàn)光軸的精確標(biāo)記，并確保光線在正常移動(dòng)過(guò)程中準(zhǔn)確地進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)。主要技術(shù)路線在于，基于對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)形狀的初步選擇以及對(duì)設(shè)備及其組件之間的空間關(guān)系的有效優(yōu)化，來(lái)開(kāi)發(fā)緊湊的多層結(jié)構(gòu)。

二維轉(zhuǎn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.3二維轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)機(jī)械虛擬樣機(jī)建模

在本文中，我們使用UG 3D建模軟件對(duì)二維轉(zhuǎn)臺(tái)的組件進(jìn)行建模，并生成3D虛擬原型模型組件，例如副車架，軌道平臺(tái)，發(fā)射臺(tái)，發(fā)射管等。整機(jī)組裝完成，包括起重裝置，組裝二維轉(zhuǎn)臺(tái)，并確保零件之間的組裝位置正確比例。[6-8]完成轉(zhuǎn)臺(tái)的組裝后，將其導(dǎo)出為* .x_t文件，然后將其導(dǎo)入

Adams MDA中以模擬機(jī)械虛擬原型。

在Adams建模環(huán)境中，可以通過(guò)定義每個(gè)零件的材料屬性并添加適當(dāng)?shù)募s束，載荷和動(dòng)量以匹配物理原型裝配體的物理關(guān)系，來(lái)完成Adams機(jī)械虛擬原型的構(gòu)造，約束關(guān)系和模擬。虛擬原型模型的每個(gè)組件的關(guān)系如圖6所示。

2.4 二維轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)建模

由于PID結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，物理意義清晰，可靠性高而在工業(yè)控制廣泛應(yīng)用，因此本文采用PID控制方法來(lái)控制發(fā)送設(shè)備的二維轉(zhuǎn)臺(tái)[9]。 PID控制意味著使用比例，積分和微分控制。在模擬控制系統(tǒng)中，偏差e（t）是根據(jù)設(shè)定值r（t）和輸出值y（t）的實(shí)際反饋而形成的。

根據(jù)產(chǎn)生的偏差e（T），引入比例K、積分K和導(dǎo)出的K控制系數(shù)，并用相應(yīng)的線性組合形，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控模型對(duì)象的控制，控制律如下：

上述公式表明，比例KP、積分Ki和微分KD控制系數(shù)的選取對(duì)二維轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)態(tài)性能的控制效果有重要影響，也是整個(gè)伺服控制系統(tǒng)建模參數(shù)調(diào)整的重點(diǎn)。

3虛擬樣機(jī)聯(lián)合仿真建模分析

為了實(shí)現(xiàn)基于Adams和Matlab / Simulink的二維轉(zhuǎn)臺(tái)仿真，必須配置仿真軟件之間的通信接口。設(shè)置步驟如下[10-12]：

1）確定Adams二維旋轉(zhuǎn)臺(tái)虛擬機(jī)的狀態(tài)變量，該模型通過(guò)組裝設(shè)置了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入角速度變量和防衛(wèi)二維通道的輸出角速度變量。

2）使用ADAMS/control插件plant-export確認(rèn)2D通道模型的控制輸入（inpuut）是前面定義的后續(xù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可變角速度輸入，為了定義Matlab/Simlink模型中控制輸入輸出的接口將輸出信號(hào)定義為二維信道在這個(gè)方向上的每一個(gè)速度輸出變量。Adams/Solver選擇C++，targetsoft ware選擇MATLAB?？梢詭?lái)MATLAB/Simlink模擬環(huán)境的模型輸出。

3）Matlab/Simlink模擬環(huán)境.利用ADAMS ＼ Sys在MATRAB中處理指令，將ADOMS導(dǎo)出的虛擬變頻器模型顯示在系統(tǒng)模塊中后，根據(jù)發(fā)射PID控制原理，構(gòu)建模擬模型，在Simlink環(huán)境中研究2D通道動(dòng)態(tài)性能模擬[13-15]，二維通道模擬如圖7所示。

以俯仰軸為例，我們用階躍和正弦信號(hào)來(lái)測(cè)試瞬態(tài)響應(yīng)，用跟蹤參數(shù)來(lái)測(cè)試伺服臺(tái)仿真系統(tǒng)的功能。如圖8、圖9所示[16-17].

通過(guò)聯(lián)合仿真分析，可以看出，通過(guò)響應(yīng)階躍信號(hào)動(dòng)作從起始位置抬起，可以在很短的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)將俯仰軸穩(wěn)定在命令的目標(biāo)位置，從而達(dá)到快速且準(zhǔn)確的位置控制目的[18- 19]。該點(diǎn)也可以在Adams仿真動(dòng)畫(huà)中看到，并且俯仰軸從其原始位置快速旋轉(zhuǎn)到給定位置，并且在該位置上基本保持穩(wěn)定。同時(shí)，當(dāng)仿真曲線上給出的指令是正弦信號(hào)時(shí)，階躍軸只需要很小的延遲就可以緊跟給定的正弦指令，具有良好的跟蹤特性[20]。

方位軸使用相同的控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)關(guān)節(jié)位置的精確控制。根據(jù)2軸執(zhí)行器的位置以及每個(gè)關(guān)節(jié)的位置和角度之間的轉(zhuǎn)換比，可以精確地控制執(zhí)行器的位置，從而可以快速準(zhǔn)確地確定位置，并同時(shí)還具有較好的軌跡跟蹤特性。

4 結(jié)論

為了提高二維轉(zhuǎn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)的效率并縮短設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)周期，本文基于Adams建模平臺(tái)和Matlab / Simulink進(jìn)行了研究。用于構(gòu)建二維轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)的聯(lián)合數(shù)字虛擬樣機(jī)的機(jī)器和控制。主要?jiǎng)?chuàng)新是轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械虛擬樣機(jī)的快速仿真技術(shù)，包括仿真方法，控制連接的仿真技術(shù)，轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集虛擬樣機(jī)的二維模型，以及二維轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)字虛擬原型的協(xié)同仿真方法。進(jìn)行了建模和分析。本文所編制的二維仿真模型對(duì)研究新型控制算法的應(yīng)用和進(jìn)一步改善系統(tǒng)特性具有非常積極的參考價(jià)值。

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依托于大創(chuàng)項(xiàng)目：機(jī)載高精度兩軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真項(xiàng)目選題來(lái)源：教師科研課題的子項(xiàng)目項(xiàng)目編號(hào)：202010183700

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