通用测试转台控制系统的设计与研究

随着科技的发展，专用测试设备越来越难满足测试的需求，暴露出很多弊端^[1]。在20世纪80年代中期，以美军为例，各类专用自动测试设备多达两千多种，总数超过30万台，每年专用自动化测试设备的开发费用就超过10亿美金^[2]。美军在80年代制定了“通用自动测试设备”计划，旨在建立符合“自动化、标准化和通用化”标准的测试保障平台，达到降低研制费用、提高综合诊断测试结果对的目的^[3]。转台作为导弹、飞机等飞行器的重要测试工具，相关性能的要求也随之越来越高^[4-5]。本文设计一种通用测试转台，通过对不同的标准硬件进行组合和专用机构的调整，以适应多种导弹进行测试^[6]。

传统的专用测试转台往往只面向一种类型的导弹进行测试，在设计其控制系统时也只需考虑一种情况，因此其控制系统相对比较简单，利用传统即可实现^[7-10]。而在进行通用测试转台的控制系统设计时，需考虑在更换不同导弹类型之后控制系统所受到的影响，在更换导弹之后，系统的很多参数都会发生变化，普通PID控制无法适应变参数控制系统。与传统PID控制方式相比，模糊控制适合于那些难以建立精确数学模型、具有非线性和大滞后过程的控制系统^[11-17]。本文着重研究变负载情况对通用测试转台控制系统的影响，同时提出了模糊自适应PID控制方法^[18-20]，以实现转台控制系统针对不同负载的自整定，最终实现对控制系统性能的提升。

1 通用测试转台系统结构及硬件设计

转台是机弹链路系统专用测试工装，用于吊舱、导弹在水平、垂直、滚转的姿态调整，主要完成3个自由度的测试。由于不同类型导弹的长度、质量及直径的不同，在进行转台硬件设计时，需要考虑其通用性。

通用测试转台的升降装置由多级剪叉式机构构成，利用双液压缸进行驱动，升降高度范围为1.2～3 m，可适应不同类型导弹垂直方向的高度要求。水平装置由伺服电机、蜗轮蜗杆结构、转盘轴承构成，通过控制伺服电机接收来自测控系统的指令，带动蜗轮蜗杆进行工作，蜗轮蜗杆经小齿轮将力矩传递至回转支撑装置(转盘轴承)的大齿轮上，回转支撑在大齿轮的带动下，驱动水平回转工作台进行回转动作。滚转装置由伺服电机和专用齿轮构成，专用齿轮可进行灵活调节以适应不同直径的导弹进行滚转。通用测试转台系统框图如图1所示，3个自由度控制均有手动、自动控制，同时上位机界面可实时监控各轴运行情况以及当前所处位置。

2 转台系统软件设计

依据整个设备控制时的3层结构设计，系统实现时的软件结构如图2所示。

由图2可以看出，整个软件设计时分四大部分：上层应用软件、实验运动驱动、TRIO底层电机驱动、PLC手动控制。其中TRIO底层电机驱动软件直接与各电机驱动器进行连接，实现电机的直接控制，该部分性能的好坏直接决定了通用测试转台的性能。实验运动驱动部分针对多种类型导弹实际应用需求，开发通用的接口程序。为方便操作人员的使用，转台还加入了手动操作功能，实现该操作功能的是PLC手动控制程序。该程序接收来自现场的各按钮和传感器信号，并将其通过485通信方式传递给TRIO底层电机驱动软件，底层电机驱动软件根据收到的相应操作指令，手动操作各电机的运行。在实际测试过程中，直接操作的是上层应用软件，在该软件中，通过与专用的DLL程序进行交互，开展相应的实验工作。DLL库文件接收上层应用软件的指令，并实时经网线传递给TRIO底层电机驱动软件，从而完成一个完成的控制流程。实际软件运行流程如图3所示。

3 系统建模及控制器设计

3.1 系统搭建

影响通用测试转台控制系统的因数有很多，本文着重研究变负载对转台控制系统的影响。当负载发生改变时，对转台3个自由度运动影响最大的是转台的水平回转运动，所以研究转台水平回转控制系统尤为重要。首先需要对控制系统进行建模分析，以便能够更加准确深入地了解变负载对水平回转控制系统的影响。

转台水平回转控制系统对象是电机，其数学模型如图4所示。

以电枢电压U(s)为输入变量，以专用齿轮转速n₂(s)为输出变量，其传递函数为：

由式（4）可知，系统总的转动惯量对传递函数有很大影响。在进行不同类型弹体测试时，弹体质量不同，造成系统惯量不同。针对惯量不断变化的控制系统，普通PID控制无法实现快速稳定的调节，因此需要一种能够针对不同惯量实现PID自整定的控制方法。本文提出了一种模糊自适应PID控制，以误差e和误差变化率ec作为输入，利用模糊规则在线对PID参数进行修正以满足不同负载下的e和ec对PID参数自整定的需求，从而消除由负载变化所引起的系统振荡，并提高系统响应速度。

3.2 模糊PID控制策略介绍及控制器设计

模糊PID控制器由两个部分组成：传统PID控制器和模糊化模块。PID模糊控制的首要任务是找出PID的3个参数与位置误差e和误差变化率ec之间的模糊关系，在运行中不断检测e和ec，根据确定的模糊控制规则来对3个参数进行在线调整，满足不同e和ec时对3个参数的不同要求。控制器结构图如图5所示。

其控制器表达式为：

4 系统仿真分析

为验证模糊自适应PID控制可以更好地适应不同负载下控制系统快速稳定的调节，根据前面所建立的系统模型，在MATLAB中构建SIMULINK仿真，图6为系统仿真模型。图7为不同负载下传统PID控制和模糊自适应PID控制的控制效果对比图。

由图7可知，在不同负载条件下，两种控制方式的响应速度不同，传统PID控制的响应时间总是高于模糊自适应PID控制。在负载为1 t时，传统PID控制的系统响应时间比模糊自适应PID控制高0.273 s；负载为2 t时，传统PID控制的系统响应时间比模糊自适应PID控制高多0.284 s；负载为3 t时，传统PID控制的系统响应时间比模糊自适应PID控制高0.385 s。经分析可知，相对于传统PID控制，模糊自适应PID控制在变负载情况下可迅速做出调整以适应当前负载，保证系统响尽可能小地受负载的影响。

5 结论

本文所设计的通用测试转台可以对多种类型导弹进行测试，有效降低了专用转台的研制费用及研制周期，同时提高了测试设备的适应性、灵活性和可拓展性。通过对比传统PID控制和模糊自适应PID控制可知，在变负载的情况下，模糊自适应PID控制通过检测到由负载变化所引起的位置误差及误差变化率，快速调整系统PID参数，使系统的响应速度尽可能小地受到影响，对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力，从而保证系统快速稳定地运行。

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作者信息：

郭彦青1，段志强1，王 龙2，高宏伟1，李 赛1，林炳乾1

(1.中北大学 机械工程学院，山西 太原030051；2.华北计算机系统工程研究所，北京100083）