機載高精度兩軸伺服轉臺動力學分析及聯合仿真

胡書凱 肖淞文 張成祥 孫智鵬

摘要：兩軸伺服轉臺的主要功能是通過伺服轉臺的精確跟蹤和定位功能以及激光通信系統，確保激光發射軸的準確方向。使用3D建模軟件UG對伺服轉臺執行建模和組裝3D模型，并基于多體動力學分析軟件ADAMS仿真環境構建伺服轉臺的機械虛擬原型模型。MATLAB/SIMULINK仿真平臺用于構建實時模擬和分析的模擬模型，不僅可以使用該模型指導實際系統參數的調整，而且可以為跟蹤伺服運行轉臺的設計提供可靠的標準。

關鍵詞：兩軸伺服轉臺 UG ADAMS MATLAB/SIMULINK虛擬樣機

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設定位置/速度，控制發動機和相應的機械結構，確保轉臺的二維結構的匹配。雙軸伺服電機是利用機械結構和控制算法設計的。與物理樣品模型相比，通過直接設計和測試的虛擬模擬和模擬模型，可以充分利用計算機模擬的優勢，如：無論是成本低、安全性高，各種快速設計方案等，[1]這對于快速設計和開發二維平臺至關重要。本文以兩軸伺服轉臺系統為例，應用UG軟件建立二維轉臺的主要結構部件模型，并進行二維轉臺整機的虛擬裝配。然后利用多體動力學仿真軟件Adams的數據接口導入UG虛擬機械模型幾何數據建立方位二維轉臺機械虛擬樣機仿真模型，并結合Matlab/Simulink建立包含兩軸伺服轉臺系統控制模型的聯合仿真模型，并基于該聯合仿真模型進行方位二維轉臺動態性能仿真研究，以驗證該聯合仿真技術應用于二維轉臺總體設計的可行性。

1基于Adams和Matlab/Simulink的聯合仿真技術

Adams是目前全球應用最廣泛的機械系統動力學分析軟件，集建模、解析和視覺化技術為一體，ADOMS軟件具有強大的計算功能，具有ADOMS/controls模塊，可與Simlink等控制模擬設計軟件產生協同效應[2].Matlab/Simlink是一種開放、功能強的模擬工具，是一種線性、非線性、用于模擬連續或分散的系統，它提供了多種模塊模型，以用戶構圖的形式快速構建所有復雜的系統，實現系統模型的構建和模擬研究。

二維轉臺聯合模擬屬于與機械動力學和控制系統相關聯的聯合模擬[3]，ADAMS/VIEW主要用于系統動力學模型的構建。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系。adams/view模塊提供了一個機械系統模型，并求解了運動系統方程。matlab軟件提供了模擬軟件的模型。控制系統控制系統基于通過求解方程結合合理步長實現數據相互作用并基于機電一體化機械系統和控制系統的協作模擬的虛擬樣品。

伺服轉臺的運動學和動力學仿真必須在Adams中完成，因此需要將簡化的3D模型引入Adams。方法是將文件以Parsold格式保存在Soliworks中，然后將其導入Adams，需要編輯從Adams導入的組件，以定義其慣性矩，質量，材料和其他相關屬性。這樣虛擬原型和真實原型將具有相同或相似的物理屬性，以更好地模擬系統。為了模擬二維伺服轉臺的運動學和動力學，需要為導入的Adams模型定義約束和驅動器[4]，如圖3所示。

在定義好各個約束后，方位軸和俯仰軸的各個零件之間便具有確定的約束關系，這樣可以保證彷真時各個零部件能夠有正確的運動。

2二維轉臺虛擬樣機仿真模型

2.1二維轉臺工作原理

二維方位轉臺主要由方位電機，伺服控制器，動力伺服控制，方位傳感器等組合組成。二維轉臺設備安裝在發射器的轉臺上，接收控制信號，進行組合位置和速度反饋信號以執行復雜的處理并驅動電機以控制觸發器的方位角旋轉。根據給定的規則自動跟蹤方位角和運動以實現完全瞄準，可以提供精確方向[5]。二維轉臺的框圖如圖4所示。

2.2系統組成

二維轉臺主要由俯仰轉臺部分，方位轉臺部分，基座部分和接口切換部分組成。主要功能是實現光軸的精確標記，并確保光線在正常移動過程中準確地進入光學系統。主要技術路線在于，基于對轉臺形狀的初步選擇以及對設備及其組件之間的空間關系的有效優化，來開發緊湊的多層結構。

二維轉臺的總體設計如圖5所示。

2.3二維轉臺結構機械虛擬樣機建模

在本文中，我們使用UG 3D建模軟件對二維轉臺的組件進行建模，并生成3D虛擬原型模型組件，例如副車架，軌道平臺，發射臺，發射管等。整機組裝完成，包括起重裝置，組裝二維轉臺，并確保零件之間的組裝位置正確比例。[6-8]完成轉臺的組裝后，將其導出為* .x_t文件，然后將其導入

Adams MDA中以模擬機械虛擬原型。

在Adams建模環境中，可以通過定義每個零件的材料屬性并添加適當的約束，載荷和動量以匹配物理原型裝配體的物理關系，來完成Adams機械虛擬原型的構造，約束關系和模擬。虛擬原型模型的每個組件的關系如圖6所示。

2.4 二維轉臺控制系統建模

由于PID結構簡單，物理意義清晰，可靠性高而在工業控制廣泛應用，因此本文采用PID控制方法來控制發送設備的二維轉臺[9]。 PID控制意味著使用比例，積分和微分控制。在模擬控制系統中，偏差e（t）是根據設定值r（t）和輸出值y（t）的實際反饋而形成的。

根據產生的偏差e（T），引入比例K、積分K和導出的K控制系數，并用相應的線性組合形，實現對被控模型對象的控制，控制律如下：

上述公式表明，比例KP、積分Ki和微分KD控制系數的選取對二維轉臺動態性能的控制效果有重要影響，也是整個伺服控制系統建模參數調整的重點。

3虛擬樣機聯合仿真建模分析

為了實現基于Adams和Matlab / Simulink的二維轉臺仿真，必須配置仿真軟件之間的通信接口。設置步驟如下[10-12]：

1）確定Adams二維旋轉臺虛擬機的狀態變量，該模型通過組裝設置了驅動系統的輸入角速度變量和防衛二維通道的輸出角速度變量。

2）使用ADAMS/control插件plant-export確認2D通道模型的控制輸入（inpuut）是前面定義的后續驅動系統的可變角速度輸入，為了定義Matlab/Simlink模型中控制輸入輸出的接口將輸出信號定義為二維信道在這個方向上的每一個速度輸出變量。Adams/Solver選擇C++，targetsoft ware選擇MATLAB。可以帶來MATLAB/Simlink模擬環境的模型輸出。

3）Matlab/Simlink模擬環境.利用ADAMS ＼ Sys在MATRAB中處理指令，將ADOMS導出的虛擬變頻器模型顯示在系統模塊中后，根據發射PID控制原理，構建模擬模型，在Simlink環境中研究2D通道動態性能模擬[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來測試瞬態響應，用跟蹤參數來測試伺服臺仿真系統的功能。如圖8、圖9所示[16-17].

通過聯合仿真分析，可以看出，通過響應階躍信號動作從起始位置抬起，可以在很短的響應時間內將俯仰軸穩定在命令的目標位置，從而達到快速且準確的位置控制目的[18- 19]。該點也可以在Adams仿真動畫中看到，并且俯仰軸從其原始位置快速旋轉到給定位置，并且在該位置上基本保持穩定。同時，當仿真曲線上給出的指令是正弦信號時，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實現對相應關節位置的精確控制。根據2軸執行器的位置以及每個關節的位置和角度之間的轉換比，可以精確地控制執行器的位置，從而可以快速準確地確定位置，并同時還具有較好的軌跡跟蹤特性。

4 結論

為了提高二維轉臺總體設計的效率并縮短設計和開發周期，本文基于Adams建模平臺和Matlab / Simulink進行了研究。用于構建二維轉臺的技術的聯合數字虛擬樣機的機器和控制。主要創新是轉臺機械虛擬樣機的快速仿真技術，包括仿真方法，控制連接的仿真技術，轉臺數字數據采集虛擬樣機的二維模型，以及二維轉臺的數字虛擬原型的協同仿真方法。進行了建模和分析。本文所編制的二維仿真模型對研究新型控制算法的應用和進一步改善系統特性具有非常積極的參考價值。

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依托于大創項目：機載高精度兩軸伺服轉臺結構設計與控制系統聯合仿真項目選題來源：教師科研課題的子項目項目編號：202010183700

吉林大學 儀器科學與電氣工程學院 長春 130061