0 引言

    隨著科技的發(fā)展，專用測試設(shè)備越來越難滿足測試的需求，暴露出很多弊端^[1]。在20世紀(jì)80年代中期，以美軍為例，各類專用自動測試設(shè)備多達(dá)兩千多種，總數(shù)超過30萬臺，每年專用自動化測試設(shè)備的開發(fā)費用就超過10億美金^[2]。美軍在80年代制定了“通用自動測試設(shè)備”計劃，旨在建立符合“自動化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化”標(biāo)準(zhǔn)的測試保障平臺，達(dá)到降低研制費用、提高綜合診斷測試結(jié)果對的目的^[3]。轉(zhuǎn)臺作為導(dǎo)彈、飛機等飛行器的重要測試工具，相關(guān)性能的要求也隨之越來越高^[4-5]。本文設(shè)計一種通用測試轉(zhuǎn)臺，通過對不同的標(biāo)準(zhǔn)硬件進(jìn)行組合和專用機構(gòu)的調(diào)整，以適應(yīng)多種導(dǎo)彈進(jìn)行測試^[6]。

    傳統(tǒng)的專用測試轉(zhuǎn)臺往往只面向一種類型的導(dǎo)彈進(jìn)行測試，在設(shè)計其控制系統(tǒng)時也只需考慮一種情況，因此其控制系統(tǒng)相對比較簡單，利用傳統(tǒng)PID控制即可實現(xiàn)^[7-10]。而在進(jìn)行通用測試轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)設(shè)計時，需考慮在更換不同導(dǎo)彈類型之后控制系統(tǒng)所受到的影響，在更換導(dǎo)彈之后，系統(tǒng)的很多參數(shù)都會發(fā)生變化，普通PID控制無法適應(yīng)變參數(shù)控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)PID控制方式相比，模糊控制適合于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型、具有非線性和大滯后過程的控制系統(tǒng)^[11-17]。本文著重研究變負(fù)載情況對通用測試轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的影響，同時提出了模糊自適應(yīng)PID控制方法^[18-20]，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)針對不同負(fù)載的自整定，最終實現(xiàn)對控制系統(tǒng)性能的提升。

1 通用測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計

    轉(zhuǎn)臺是機彈鏈路系統(tǒng)專用測試工裝，用于吊艙、導(dǎo)彈在水平、垂直、滾轉(zhuǎn)的姿態(tài)調(diào)整，主要完成3個自由度的測試。由于不同類型導(dǎo)彈的長度、質(zhì)量及直徑的不同，在進(jìn)行轉(zhuǎn)臺硬件設(shè)計時，需要考慮其通用性。

    通用測試轉(zhuǎn)臺的升降裝置由多級剪叉式機構(gòu)構(gòu)成，利用雙液壓缸進(jìn)行驅(qū)動，升降高度范圍為1.2～3 m，可適應(yīng)不同類型導(dǎo)彈垂直方向的高度要求。水平裝置由伺服電機、蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤軸承構(gòu)成，通過控制伺服電機接收來自測控系統(tǒng)的指令，帶動蝸輪蝸桿進(jìn)行工作，蝸輪蝸桿經(jīng)小齒輪將力矩傳遞至回轉(zhuǎn)支撐裝置(轉(zhuǎn)盤軸承)的大齒輪上，回轉(zhuǎn)支撐在大齒輪的帶動下，驅(qū)動水平回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作。滾轉(zhuǎn)裝置由伺服電機和專用齒輪構(gòu)成，專用齒輪可進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同直徑的導(dǎo)彈進(jìn)行滾轉(zhuǎn)。通用測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)框圖如圖1所示，3個自由度控制均有手動、自動控制，同時上位機界面可實時監(jiān)控各軸運行情況以及當(dāng)前所處位置。

2 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)軟件設(shè)計

    依據(jù)整個設(shè)備控制時的3層結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)實現(xiàn)時的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    由圖2可以看出，整個軟件設(shè)計時分四大部分：上層應(yīng)用軟件、實驗運動驅(qū)動、TRIO底層電機驅(qū)動、PLC手動控制。其中TRIO底層電機驅(qū)動軟件直接與各電機驅(qū)動器進(jìn)行連接，實現(xiàn)電機的直接控制，該部分性能的好壞直接決定了通用測試轉(zhuǎn)臺的性能。實驗運動驅(qū)動部分針對多種類型導(dǎo)彈實際應(yīng)用需求，開發(fā)通用的接口程序。為方便操作人員的使用，轉(zhuǎn)臺還加入了手動操作功能，實現(xiàn)該操作功能的是PLC手動控制程序。該程序接收來自現(xiàn)場的各按鈕和傳感器信號，并將其通過485通信方式傳遞給TRIO底層電機驅(qū)動軟件，底層電機驅(qū)動軟件根據(jù)收到的相應(yīng)操作指令，手動操作各電機的運行。在實際測試過程中，直接操作的是上層應(yīng)用軟件，在該軟件中，通過與專用的DLL程序進(jìn)行交互，開展相應(yīng)的實驗工作。DLL庫文件接收上層應(yīng)用軟件的指令，并實時經(jīng)網(wǎng)線傳遞給TRIO底層電機驅(qū)動軟件，從而完成一個完成的控制流程。實際軟件運行流程如圖3所示。

3 系統(tǒng)建模及控制器設(shè)計

3.1 系統(tǒng)搭建

    影響通用測試轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的因數(shù)有很多，本文著重研究變負(fù)載對轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的影響。當(dāng)負(fù)載發(fā)生改變時，對轉(zhuǎn)臺3個自由度運動影響最大的是轉(zhuǎn)臺的水平回轉(zhuǎn)運動，所以研究轉(zhuǎn)臺水平回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)尤為重要。首先需要對控制系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，以便能夠更加準(zhǔn)確深入地了解變負(fù)載對水平回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的影響。

    轉(zhuǎn)臺水平回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)對象是電機，其數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

    以電樞電壓U(s)為輸入變量，以專用齒輪轉(zhuǎn)速n₂(s)為輸出變量，其傳遞函數(shù)為：

    由式（4）可知，系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量對傳遞函數(shù)有很大影響。在進(jìn)行不同類型彈體測試時，彈體質(zhì)量不同，造成系統(tǒng)慣量不同。針對慣量不斷變化的控制系統(tǒng)，普通PID控制無法實現(xiàn)快速穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，因此需要一種能夠針對不同慣量實現(xiàn)PID自整定的控制方法。本文提出了一種模糊自適應(yīng)PID控制，以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修正以滿足不同負(fù)載下的e和ec對PID參數(shù)自整定的需求，從而消除由負(fù)載變化所引起的系統(tǒng)振蕩，并提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

3.2 模糊PID控制策略介紹及控制器設(shè)計

    模糊PID控制器由兩個部分組成：傳統(tǒng)PID控制器和模糊化模塊。PID模糊控制的首要任務(wù)是找出PID的3個參數(shù)與位置誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運行中不斷檢測e和ec，根據(jù)確定的模糊控制規(guī)則來對3個參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，滿足不同e和ec時對3個參數(shù)的不同要求?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

    其控制器表達(dá)式為：

4 系統(tǒng)仿真分析

    為驗證模糊自適應(yīng)PID控制可以更好地適應(yīng)不同負(fù)載下控制系統(tǒng)快速穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，根據(jù)前面所建立的系統(tǒng)模型，在MATLAB中構(gòu)建SIMULINK仿真，圖6為系統(tǒng)仿真模型。圖7為不同負(fù)載下傳統(tǒng)PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制的控制效果對比圖。

    由圖7可知，在不同負(fù)載條件下，兩種控制方式的響應(yīng)速度不同，傳統(tǒng)PID控制的響應(yīng)時間總是高于模糊自適應(yīng)PID控制。在負(fù)載為1 t時，傳統(tǒng)PID控制的系統(tǒng)響應(yīng)時間比模糊自適應(yīng)PID控制高0.273 s；負(fù)載為2 t時，傳統(tǒng)PID控制的系統(tǒng)響應(yīng)時間比模糊自適應(yīng)PID控制高多0.284 s；負(fù)載為3 t時，傳統(tǒng)PID控制的系統(tǒng)響應(yīng)時間比模糊自適應(yīng)PID控制高0.385 s。經(jīng)分析可知，相對于傳統(tǒng)PID控制，模糊自適應(yīng)PID控制在變負(fù)載情況下可迅速做出調(diào)整以適應(yīng)當(dāng)前負(fù)載，保證系統(tǒng)響盡可能小地受負(fù)載的影響。

5 結(jié)論

    本文所設(shè)計的通用測試轉(zhuǎn)臺可以對多種類型導(dǎo)彈進(jìn)行測試，有效降低了專用轉(zhuǎn)臺的研制費用及研制周期，同時提高了測試設(shè)備的適應(yīng)性、靈活性和可拓展性。通過對比傳統(tǒng)PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制可知，在變負(fù)載的情況下，模糊自適應(yīng)PID控制通過檢測到由負(fù)載變化所引起的位置誤差及誤差變化率，快速調(diào)整系統(tǒng)PID參數(shù)，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度盡可能小地受到影響，對被控對象的非線性和時變性具有一定的適應(yīng)能力，從而保證系統(tǒng)快速穩(wěn)定地運行。

參考文獻(xiàn)

[1] 王小艷.基于多種總線的測量綜合控制器測試臺的研究與實現(xiàn)[D].太原：中北大學(xué)，2009.

[2] 馬敏.并行多任務(wù)自動測試系統(tǒng)分層化建模及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[3] 鄒逢興.計算機硬件技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[4] 任工昌，吳夢珂，朱愛斌，等.帶單節(jié)拖車的機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(11)：41-44，49.

[5] 王海涌，張為瑋，王衛(wèi).多軸運動控制器在轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36(3)：97-99.

[6] 鐘志華.一種通用雷達(dá)自動化測試設(shè)備的研究及其應(yīng)用[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[7] 趙輝.基于內(nèi)?？刂圃淼腜ID控制器設(shè)計[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[8] 陸偉男，蔡啟仲，李剛，等.基于四軸飛行器的雙閉環(huán)PID控制[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14(33)：127-131.

[9] 管萍，和志偉，戈新生.高超聲速飛行器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制[J].航天控制，2018，36(1)：8-13.

[10] 李航，王耀力.四旋翼飛行器中PID控制的優(yōu)化[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(2)：73-76.

[11] LOPEZMARTINEZ M，ORTEGA M，VIVAS C，et al.Nonlinear L 2 control of a laboratory helicopter with variable speed rotors[J].Automatica，2007，43(4)：655-661.

[12] 佟紹成，王濤，王艷平，等.模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計及穩(wěn)定性分析[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[13] 張濤.基于模糊PID控制算法的輸彈機優(yōu)化設(shè)計[D].太原：中北大學(xué)，2017.

[14] 馬曉爽，石征錦.一種改進(jìn)Fuzzy-PID技術(shù)的飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(10)：21-23，28.

[15] Liu Xiaodong，Zhang Qingling.New approaches to H ∞ controller designs based on fuzzy observers for T-S fuzzy systems via LMI[J].Automatica，2003，39(9)：1571-1582.

[16] 赫建立，朱龍英，成磊，等.串聯(lián)機器人軌跡跟蹤控制模糊自適應(yīng)PID算法的誤差修正[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(1)：60-63，67.

[17] MEZA A G，CORTES T H，LOPEZ A V C，et al.Analysis of fuzzy observability property for a class of TS fuzzy models[J].IEEE Latin America Transactions，2017，15(4)：595-602.

[18] 霍建楠，王自強.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擺動電機的模糊PID控制[J].電子設(shè)計工程，2018，26(12)：129-133.

[19] WU H N，WANG J W，LI H X.Design of distributed H∞ fuzzy controllers with constraint for nonlinear hyper-bolic PDE systems[M].Pergamon Press，Inc.2012.

[20] 冉華軍，李健，牟書丹.基于模糊自適應(yīng)PID控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng)[J].通信電源技術(shù)，2017，34(1)：23-25.

作者信息：

郭彥青1，段志強1，王  龍2，高宏偉1，李  賽1，林炳乾1

(1.中北大學(xué) 機械工程學(xué)院，山西 太原030051；2.華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京100083）