風擾模擬力加載器控制系統設計

作者簡介：任雅廣（1969—），男，江蘇沭陽人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：船舶機電管理及控制；王校鋒（1979—），男，浙江紹興人，工程師，碩士研究生，研究方向：船舶機電管理及控制（E-mail：yyt_hehe169@163.com）。

摘要：針對用于風擾模擬的力加載器系統，設計以DSP為核心的數字控制器。在傳統的位置伺服控制的基礎上，設計力反饋控制回路，同時使用前饋補償抑制由于承載對象運動而導致的多余力。使用粒子群算法進行控制器參數整定。試驗結果表明，該力加載器能夠進行有效地進行各種類型的風擾模擬，具有較高的控制精度和響應速度，能夠良好的克服多余力干擾。

關鍵詞：力加載；風擾模擬；PID控制；粒子群算法

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

1引言地面半實物仿真是控制系統研制過程中的重要步驟，是驗證控制系統性能和關鍵環節。力加載器是一種在實驗室環境下模擬被控系統的負荷或擾動的物理效應設備。在飛行器研制過程中，為了在地面上模擬飛行器實際飛行時的舵面鉸鏈力矩，通常設計力矩模擬器[1-5]。另外在風力發電、艦載設備等室外裝置的研制中，為了模擬自然界的風擾動，也需要研制設計能夠模擬自然界風擾的力加載系統[6，7]。

力矩加載器和力加載器都數據負載模擬器的范疇。常見的負載模擬器有電液負載模擬器、電動負載模擬器、氣動負載模擬器等類型。其中電動負載模擬器具有體積小、成本低、結構簡單等優點，而被廣泛研究使用。

承載對象的運動對于力加載器而言，是一種嚴重的外部干擾，會產生的多余的控制力，因此多余力抑制問題一直是力加載器研制中的難點[8，9]。本文針對一款電動力加載器進行了控制系統設計，包括控制系統的硬件組成，控制策略和控制律設計，以及多余力消除方法和控制參數優化等問題的研究。

2力加載器系統構成

力加載器由電動作動裝置和控制系統組成。電動作動裝置由電機、減速箱、齒輪傳動付、滾珠絲桿、直線電位器和推拉力傳感器等六部分構成，其結構如圖1所示。電機產生拖動動力，采用減速齒輪和滾珠絲桿轉換成線性位移，可實現輸出桿的直線運動，通過球形軸頭與被加載體連接，加載力沿絲桿軸線輸出。電動作動裝置以硬鋁材料為外殼，在保證足夠的強度和剛度的同時，具有較輕的重量。整個裝置采用二點裝夾方式固定在基座上，具有良好的穩定性。

力加載器的控制系統由數字控制器、上位計算機、傳感器等部件組成，組織結構如圖2所示。

采用高精度直線電位器作為位移反饋，以推拉力傳感器為力反饋裝置，并通過串行接口從上位機獲得被承載對象的運動信號，通過控制計算機系統以數字控制方式實現加載力的精確控制。

在該力加載器的設計中，控制計算機采用以TMS320F28335芯片為核心的嵌入式控制器。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，18路的PWM輸出， 12位16通道ADC，2通道CAN 2.0B總線接口，3路帶有16級FIFO的全雙工異步串口等配置，能夠滿足力加載器的控制需求。

根據力加載器的最大加載力和最大速度的要求，選用直流力矩電機為拖動裝置，采用PWM功率伺服放大器實現加載力及其運動的控制。最大加載力與拖動電機的功率是最大角加速度、最大角速度、動態指標等能否實現的關鍵，同時也影響到結構設計，因此電機選擇是力加載器設計中的重點內容。直流力矩電機的特點是可堵轉輸出，力矩大，空載轉速高，具有一定的過載能力，扭矩重量比大，還具有反應速度快、外特性線性度好、諧振頻率高等優點，從而能滿足力加載器的加載力和動態精度的要求。力加載器輸出功率計算公式為：

式中，W為輸出功率，F為加載力，V為最大速度。已知最大加載力為1000N，最大移動速度80mm/s，則最大輸出功率為80W。考慮滾珠絲桿傳動效率為0.85，則：

同時需要考慮到電源電壓的波動以及其它不可預見因素，因此電機的拖動功率應不小于90W。在此選擇包頭電機研究所生產的90LYX-02直流力矩電機，其最大功率為100W，最大空載轉速1500rpm，峰值堵轉力矩1200mN·m，連續堵轉力矩900mN·m，能夠滿足性能要求。

選用美國COPLEY公司研制的412CE型模擬驅動器作為電機的功率放大裝置，該驅動器能夠提供10A的持續電流輸出和20A的峰值電流輸出，電源電壓范圍24～90V，具有較好的驅動能力和包括輸出短路、過/欠壓及過溫保護的故障保護功能，集成度高且便于使用維護。

3力加載器控制系統

在力加載器的實際使用中，承載對象作主動運動，加載器跟隨承載對象運動，同時對承載對象施加力或力矩。因此對于加載器而言，承載對象的運動是一種外部干擾，力加載器的控制器要求能夠良好地跟隨加載力指令的同時，還能夠有效抑制由于承載對象運動而產生的多余力。

3.1數學建模

對直流電機施加電樞電壓Ua后，在電樞回路產生電樞電流Ia，進而與勵磁磁場作用產生電磁轉矩，拖動電機軸轉動，再經過齒輪傳動輸出線運動，即電機的實質是將輸入的電能轉化為機械能的過程。直流力矩電機電樞回路的電路方程為：

式中：E為反向電動勢，Ke為反向電動勢系數，m為電機轉子角速度，Ra為電樞電阻。電機的力矩Tm與電樞電流成正比：

同時，不考慮摩擦負載的電機系統力矩平衡方程為：

式中：bm為電機粘性阻尼系數，

對負載端的微分方程進行分析，由牛頓定理可得

再根據虎克定理可得，負載端的扭矩為：

在力加載器中，通過齒輪傳動和滾珠絲桿將電機轉子的角運動轉換為絲桿的線運動，同時將力矩輸出轉換為力輸出，因此輸出力FL為：

3.2控制回路設計

力加載器的控制主要由控制計算機實現，傳感器輸出信號經過調理之后進入控制計算機，控制計算機根據給定值與反饋信號比較，經過控制律解算，得到需要輸出的控制指令。控制指令再經功率放大之后，控制電機的轉動。

傳統的位置伺服系統，一般是由電流反饋、速度反饋、位置反饋構成的多回路控制系統。電流反饋和速度反饋可以起到提高系統剛度，擴寬頻響范圍，增大系統阻尼等作用。本文在傳統的位置伺服控制的基礎上，進一步構建了力反饋回路。力反饋回路是位置回路的外回路，以系統的力給定值為輸入，以加載器的實際力輸出為反饋。

PID控制是工程實踐中應用最為廣泛的控制方法，具有結構簡單，可靠性高，易實現等優點。因此在力加載器的各個控制回路均采用PID控制律，其中力反饋回路回路和位置反饋回路控制器在數字計算機之中實現，速度反饋通過模擬電路實現。控制系統回路結構如圖3所示，其中G1（s），G2（s），G3（s）分別為力反饋控制器、位置控制器和速度控制器，G4（s）、G5（s）為前饋補償環節，Gl（s）為位置干擾模型。

3.3多余力抑制

力加載器的使用方式分為主動加載和被動加載兩種。主動加載時，承載對象為靜止不動，不存在多余力干擾。被動加載的情況下，力加載器需要在跟隨承載對象運動的同時，對其施加預定的力，因此承載對象的運動是相對于力加載器的外部干擾，會導致多余力的產生，進而影響力加載的精確性和快速性，使系統產生了相位滯后。引入前饋補償環節來提高控制系統品質，抑制擾動影響，消除多余力。

在承載對象運動特性已知的情況下，可以將承載對象的運動指令施加到力加載器的前饋補償環節。由于力加載器能夠在承載對象響應運動之前，就獲知承載對象的運動特征，因此這種前饋補償方式具有明顯的超前性，優于以傳感器輸出作為補償源的前饋控制方法。

3.4參數優化

PID控制器參數整定是PID控制中的關鍵環節，在力加載控制器的多個回路采用了多個PID控制器，其參數的更為復雜，本文采用粒子群算法進行PID控制器參數尋優。

粒子群算法是一種模擬鳥群飛行行為的智能優化方法。將問題的解表示為粒子，通過迭代搜尋的方式實現粒子在解空間追隨最優的粒子進行搜索。在每次迭代中，粒子通過跟蹤個體極值pbest和全局極值gbest實現自身的更新。個體極值是粒子本身目前找到的最優解；全局極值是整個種群目前找到的最優解。粒子的更新分為速度更新和位置更新：

4風擾模型

力加載器可以根據控制指令，進行相應的力輸出。自然界中的風擾動一般可以分為常值風和陣風兩種情況。常值風可通過單向限幅函數模擬，陣風在短時間內表現為沖擊變化的特征，可以用下式表述：

5仿真試驗

給定力加載信號是幅值為200N，頻率為0.1Hz的余弦信號。采用文中控制方法力加載器的控制輸入與實際輸出結果如圖5所示，加載過程中產生的多余力如圖6所示。

由圖5和圖6可知，力加載器的實際輸出能夠良好的跟隨指令要求，加載過程中產生的最大多余力為1.38牛。從而說明該控制器能夠很好的消除外界干擾導致的多余力，控制精度符合系統設計要求。圖7為未采用前饋補償時的力加載多余力，通過對比可知，通過前饋補償環節的超前調節作用，有效地抑制了多余力的產生。

6總結

對一種用于風擾模擬的力加載器進行了控制系統設計，控制器以DSP為核心單元，以拉壓力傳感器、測速電機等為反饋元件。在傳統的電機位置控制的基礎上，設計了力反饋控制回路，同時使用前饋補償抑制由于承載對象運動而導致的多余力，并使用粒子群算法進行控制器參數整定。試驗結果表明，該力加載器能夠進行有效地進行各種類型的風擾模擬，具有較高的控制精度和響應速度，能夠良好的克服多余力干擾。

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