姿態運動模擬系統實習平臺的應用

霍 炬, 王行順, 楊旭強, 李 偉, 齊 超

(1. 哈爾濱工業大學 電氣工程系, 黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工業大學 控制與仿真中心, 黑龍江 哈爾濱 150080)

計算機技術應用

姿態運動模擬系統實習平臺的應用

霍 炬1, 王行順2, 楊旭強1, 李 偉2, 齊 超1

(1. 哈爾濱工業大學 電氣工程系, 黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工業大學 控制與仿真中心, 黑龍江 哈爾濱 150080)

為了給大四學生提供更多的實習機會,結合實際科研項目,搭建了一套適合學生校內實習的姿態運動模擬實習平臺。介紹了姿態運動模擬實習平臺的總體結構和交流伺服系統的控制方案,其中包括硬件系統和控制軟件。該實習平臺人機界面友好、交互方便,具有完善的保護機制,使平臺能夠安全運行。姿態運動模擬實習平臺能夠幫助學生提高動手能力,增長工程實踐經驗,加深對相關課程的理解,在教學和科研中取得了良好的效果。

姿態運動； 伺服系統； 保護機制； 實習平臺

為了提高大四學生的實踐動手能力,提高他們的綜合素質,結合實驗室的科研現狀,筆者搭建了姿態運動模擬系統實習平臺。作為半實物仿真的一個重要應用,姿態運動模擬系統在國防領域和日常生活方面有著廣泛的應用,如制導系統、醫療器械、測試樣機等[1]。本文主要介紹了姿態運動模擬系統的總體結構、工作原理、軟硬件組成和結果分析。

1 姿態運動模擬系統的總體結構

姿態運動模擬系統是一套復雜的機電耦合設備,具有高精度的機械傳動、穩定雙閉環結構、對機械間隙進行補償等特性,能夠反復進行實驗。

圖1為姿態運動模擬系統的總體結構圖。系統主要包括上位機伺服系統和姿態運動臺體。上位機是一

圖1 姿態運動模擬系統總體結構

臺高性能工控機,通過PCI總線與運動控制卡相連[2],用以實現人機交互和承載系統控制算法,并進行運動控制和邏輯控制。伺服系統由轉接板、濾波器、扼流圈、伺服驅動器等部件組成,統一安裝在標準工業機柜中。伺服系統是執行機構,并且具有系統各個部件之間的通信功能。姿態運動臺體有3個自由度,由3套驅動器和電機使其進行俯仰、偏航和滾轉。在控制程序中,添加了軟件限位,以免發生“飛車”現象[3],對設備起到了保護作用。由于學生參加了系統的總體結構設計,也充分了解硬件和軟件保護的重要性。

2 姿態運動模擬系統的工作原理

姿態運動模擬系統采用工控機配合運動控制卡組成二級主從式控制結構,通過運動控制卡控制交流伺服驅動器,進而實現對交流伺服電機的控制[4]。此運動控制卡具有很好的硬件保護設計,利用該功能可以避免系統在調試和運行過程中出現“飛車”現象,對設備起到了保護作用。

運動控制卡中含有以DSP為核心的運動控制模塊,在控制單元內通過并行傳輸數據和指令,以提高數據處理速度和伺服系統的控制性能[5],通過PCI總線與PC機內的CPU進行通信并接收PC機的控制指令,再通過內部電路進行邏輯和數字運算,為動力和執行裝置提供控制信號并實現運動裝置準確運動[6]。

從設備的靈活性和操作的直觀性考慮,姿態運動模擬系統采用“PC+運動控制卡”的全數字控制結構,通過在上位機應用軟件中設計閉環控制器和高精度定時器[7],并與運動控制卡上的PID控制器相結合,構造出一個性能比較完善的、具有雙層控制結構的伺服控制系統(見圖2)。該系統可幫助學生直觀地學習數控系統的組成,使他們能深刻理解閉環系統。

圖2 姿態運動模擬系統框圖

3 系統平臺的硬件設計

姿態運動模擬系統采用“PC+運動控制卡+直接驅動電機及驅動器”的控制結構。GALIL運動控制卡作為連接工控機與伺服驅動器的部件。運動控制卡通過PCI總線與工控機通信,接收工控機的數字控制指令,通過轉接板與伺服驅動器連接,發送模擬速度指令并接收位置反饋[8]。本系統采用的是GALIL1842運動控制卡,該控制卡可以同時控制4個軸的運動,能夠完成JOG、PTP定位等多種運動方式。系統還提供了豐富的通用I/O接口,為正、負向限位、急停、原點開關提供光電隔離輸入接口[9]。

伺服驅動器及電機作為執行機構,接收運動控制卡發出的控制指令,直接驅動裝置的俯仰、偏航和滾轉；內置碼盤反饋當前電機旋轉信息。本系統采用的是恒河DM系列直接驅動電機及與電機相匹配的智能型驅動器。該類電機作為外轉子型直接驅動伺服電機,具有高速、高精度、高轉矩的特點。驅動器內部實現了整個系統的速度環和電流環,保證了系統的響應速度[10]。

在PC端設計位置控制器,利用計算機的高精度定時,實現對給定位置的精確跟蹤。由于機械間隙的存在,電機的旋轉角度并不是臺體的旋轉角度,即編碼器位置反饋不能直接作為當前位置,需要進行機械誤差測量及補償[11]。

4 系統平臺軟件設計

4.1 主要功能和流程

圖3是軟件控制總體流程圖,軟件的設計結合了硬件特點,系統主要有以下功能:

圖3 控制總體流程圖

(1) 初始化:建立上位機與運動控制卡的連接；

(2) 電氣自檢:檢驗上位機與運動控制卡、運動控制卡與驅動器是否連接；

(3) 尋零:根據標志脈沖使臺體定位到機械零位；

(4) 手動運行:根據輸入數據使臺體以設定速度到達設定的位置；

(5) 外觸發運動:將輸入作為觸發信號,在觸發模式下可進行規定的曲線運動或者網絡數據跟蹤。

Windows操作系統具有人機交互方便的優點,本姿態運動模擬系統是在Windows下利用VC++6.0開發的,其主要功能模塊有操作界面模塊、保護模塊和運動控制模塊。

4.2 操作界面模塊

姿態運動模擬系統的操作界面是基于VC++6.0編寫的。界面上的按鈕和輸入框供實習人員與系統交互,便于進行尋零、輸入軌跡、手動運行和外觸發等操作。為了避免實習人員的錯誤操作而造成嚴重后果,界面上的按鈕根據操作流程采用遞進式開啟。

4.3 保護模塊

一套完整的系統,一定要有完善的保護操作人員和設備安全的措施。

在姿態運動模擬系統中設置了機械臺體的最大運動速度、最大加速度和限位,防止臺體發生“飛車”,能很好地保護設備。

當電氣系統上電、系統軟件開啟后,點擊初始化的按鈕,系統會建立上位機與運動控制卡的正常通信并完成控制系統軟件包含的相關參數與功能的設置。

初始化完成后進行電氣連接的自檢。這個過程是通過試運行一小段距離,在程序中判斷系統的電氣連接是否正確,保證之后的操作和運行正常。

4.4 運動控制模塊

運動控制模塊主要實現系統的尋零、手動運行和外觸發控制。

尋零是根據標志脈沖使臺體定位到機械零位,為之后的運動控制找一個基準；手動運行是根據輸入數據,使裝置以設定的速度到達設定的位置,方便之后進行定位和測試；外觸發運動控制是將輸入作為觸發信號,在觸發模式下進行規定的曲線運動或者網絡數據跟蹤,聯合其他系統做同步測試。

5 機械誤差測量補償的實現及控制器的仿真

5.1 機械誤差測量補償的實現

工控機位置指令是以脈沖的形式發送給運動控制卡,誤差補償的目的是找出位置反饋脈沖與臺體旋轉角度的對應關系,消除機械間隙的影響[12]。若不存在機械間隙的話,轉換關系由編碼器的分辨率決定。在本系統中,方位運動方向電機編碼器的分辨率為1 024 000 p/rev。由于機械間隙的存在,通過編碼器反饋可以得到電機的旋轉角度,但是該角度并不等于臺體的旋轉角度,因此,首先需測量出實際旋轉的角度。為此,采用平行光管與24面棱鏡來測量偏差。

平行光管的分劃板置于物鏡的焦平面上,所以由分劃板發出的光線便為平行光。分劃板根據平行光管的用途可以使用不同的圖案。本文使用的是刻有十字叉形的分劃板,因此能通過平行光管在物鏡焦平面上觀察到標準的十字叉形。

24面棱鏡體安裝于臺體旋轉軸上,棱鏡每隔15°便有一個反射面。當平行光照射棱鏡表面時會反射回去；當平行光管調整好后,便能在分劃板上看到反射的十字叉形。若24面體旋轉了15°,十字叉的刻度并不會改變,即十字叉仍在原來的位置。若沒有,則會有相應角度的偏移。

測量時，先使方位軸處于機械零位,將24面棱鏡安裝于臺體旋轉軸,調整平行光管,直至能看到反射的十字叉,記錄該時刻的平行光管刻度。旋轉15°(確保此時看到的十字叉位置與初始時刻相同),記錄該時刻電機反饋位置,便得到了旋轉15°對應的電機反饋位置。

測量結束后,對相應位置的脈沖量進行補償,補償結果如圖4所示。

圖4 機械誤差補償結果

可以看出:補償前,利用平行光管測試實際位置與編碼器反饋位置偏差較大,超過15個脈沖；補償后,誤差在5個脈沖以內,對應角度約為5″。

在進行機械補償的過程中,學生能夠學習使用平行光管,掌握機械補償的原理和處理誤差的方法。

5.2 位置控制器仿真及結果分析

姿態運動模擬系統中的被控對象是交流伺服電機及其驅動器。由于系統組成結構復雜,精確的數學模型較難獲取。為此,采用理想的一階簡化模型21/(0.005s+1)作為傳遞函數,此時系統被控對象的等效模型為

利用Simulink搭建仿真圖,并分別以階躍信號和正弦信號對控制器進行了測試。

階躍信號作為典型的測試信號,將該信號分別作用于普通PID+前饋控制器以及利用模糊控制對PID參數及前饋系數整定的控制器,控制效果如圖5所示。在普通PID+前饋控制中,階躍響應曲線超調5.2%,上升時間0.025s,調整時間0.048s；而參數整定控制后,超調1.5% ,上升時間0.026s,調整時間0.038s。從結果可知,經模糊整定后的PID+前饋控制具有較好的控制性能,能減少系統超調及調整時間。

正弦信號具有時變的速度、加速度信息,可以比較好地測試系統的動態性能。從圖6中可以看出,加入模糊參數自整定后,動態跟蹤性能優于普通PID+前饋,滯后時間明顯減少,從而跟蹤誤差相對也較小,誤差曲線如圖7所示。從圖7中可以看出,參數整定后的誤差約為0.025°,而傳統PID+前饋的跟蹤誤差約為0.11°。

在這個過程中,學生較容易理解控制算法在控制過程中的作用。

圖5 階躍測試曲線

圖6 正弦測試曲線

圖7 正弦響應誤差曲線

5.3 畢業實習過程中系統平臺的應用

在進行姿態運動模擬實習時,學生可以改變系統的PID參數、比較運行結果、選擇最優的參數,并通過不斷的補償達到理想的結果。在應用軟件界面中,可以改變手動的運動位置和速度,讀入軌跡運行數據,并實時顯示運行軌跡。

6 結束語

姿態運動模擬系統實習平臺對機械臺體的控制采用了安全、可靠性較高的“PC+運動控制卡”的控制結構,可以讓學生親身實踐調試設備的過程,提升了學生解決工程實際問題的能力。該平臺的設計與應用涉及到多門相關課程的知識,包括自動控制元件、數字電路、模擬電路、計算機控制技術等知識,在教學和科研中取得了良好的效果。

References)

[1] 劉云鶴.多目標運動模擬系統及其空間位置高精度定位方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2011:5-25.

[2] 徐劍.目標跟蹤系統的設計與研究[D].西安:西北工業大學,2005.

[3] 姬偉.陀螺穩定光電跟蹤平臺伺服控制系統研究[D].南京:東南大學,2006:87-90.

[4] 史成城,謝麗蓉,張丹.運動控制系統實驗軟件開發平臺[J].實驗技術與管理,2013,30(1):119-121.

[5] 李世勇.智能控制[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2011:19-25.

[6] 郭敏.模糊自適應PID控制在高爐TRT系統中的仿真研究[J].電子設計工程,2012(14):21-24.

[7] 楊智,朱海峰,黃以華.PID控制器設計與參數整定方法綜述[J].化工自動化及儀表,2005,32(5):1-7.

[8] 李寧.運動控制系統實驗設備的研制[J].實驗技術與管理,2005,22(6):50-55.

[9] 王磊,王守印,周虎,等.平行光管的基本原理及使用方法[J].儀器儀表學報,2006,27(6):980-982.

[10] 葉偉.數控機床位置控制系統研究[D].西安:西安交通大學,2005.

[11] 蔡萌.機動目標跟蹤方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010:9-10.

[12] 何俊,夏斌.基于數字伺服控制原理實驗系統[J].實驗技術與管理,2014,31(9):91-94.

Application of internship platform for attitude motion simulation system

Huo Ju1, Wang Xingshun2, Yang Xuqiang1, Li Wei2, Qi Chao1

(1. Electrical Engineering Department.Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2. Control and Simulation Center,Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

In order to give seniors more internship opportunities, the attitude motion simulation system that is suitable for seniors on campus is set up,combining the actual research project.This paper introduces the general structure of the attitude motion simulation system and designs the control scheme of the servo system of the internship platform.Including the composition of hardware system and control software,it realizes the function of friendly man-machine interface and convenient interaction.In addition,the internship platform contains a perfect protection mechanism to make the system safe.At the same time,it also improves the students’ practical ability,increases the experience of engineering practice,and deepens the students understanding of related courses.As a result, the good effect is achieved in teaching and scientific research.

attitude motion; servo system; protection mechanism; internship platform

2014- 11- 24

黑龍江省高等學校教改工程項目(JG2014010725)

霍炬(1977—),男,河北唐山,博士,教授,電氣學院院長助理,主要從事電工電子方面的教學與教學管理工作.

E-mail：torch@hit.edu.cn

TP273；G484

A

1002-4956(2015)7- 0127- 04