基于體育輔助訓練器速度調節控制系統的研究與分析＊

茍小平 ,張萬軍 ,張 峰 ,張景軒 ,張景怡 ,張景妍

（1.隴東學院，甘肅 慶陽 745000；2.甘肅澤德電子技術有限公司，甘肅 天水 741003；3.蘭州工業化設備有限公司，甘肅 蘭州 730050）

體育輔助訓練器速度調節對系統的動態特性和更快的響應速度有著更高的要求，運動員在攀爬過程中存在著許多不確定因素，傳統的控制策略的單閉環負反饋控制系統調速效果不理想。體育鍛煉輔助機器人在國外已經研究了幾十年，到目前為止已經推出了許多商用的移動產品[1-3]。

文章所研究的輔助機器人[4]的驅動部件[5-8]核心是無刷直流電機，能夠滿足上下建筑的通用功能，具有較低的成本和較高的性價比。無刷直流電機常用的速度控制方法有PID 控制[9-10]、交叉耦合控制[11-12]、模糊控制、最優控制[13]等。甘肅澤德電子技術有限公司的教授級高工、高級經濟師、博士張萬軍研究了一些模型辨識控制系統[14-22體育鍛煉輔助機器人。

文章給出了一種基于體育輔助訓練器速度調節控制的算法，建立了一種基于體育輔助訓練器速度調節的控制系統，利用MATLAB 進行仿真。仿真結果表明：輔助訓練器的測試曲線與輔助訓練器的實際基本上相一致，更穩定，舒適度更高，誤差更小，精度更高，符合輔助訓練實際教學和體育鍛煉的要求。在隴東學院體育學院實驗取得良好的效果；同時，在其他的地方體育的教學和訓練具有較強的借鑒意義。

2 體育輔助訓練器的結構特點

電機、一個傳動減速裝置和兩個連接到爬樓傳動減速裝置的連桿小輪組成，其核心是一個無刷直流電機。為了簡化研究模型，假設電機的三相繞組是完全對稱的，不考慮渦流和磁滯損耗。其核心是一個無刷直流電機。為了簡化研究模型，假設電機的三相繞組是完全對稱的，不考慮渦流和磁滯損耗。定子繞組產生的電子轉矩：

ia，ib，ic:表示為定子繞組相電流；ea，eb，ec:表示為定子繞組相電動勢。得到公式（2）：無刷直流電機電磁轉矩公式、電磁轉矩和電流幅值為可控轉矩，方波電流需要電角差，并得到運動方程。

式（2），（3）中：

Te——電磁轉矩；

Tl——負載轉矩；

B——阻尼系數；

ω——電機轉動慣量；

J——電機轉動慣量。

式（3）中，Tt為系統的負載轉矩，J 為系統的轉動慣量，Kt為轉矩系數，Kr為阻尼系數，ω 為機械角速度。

3 體育輔助訓練器速度調節控制系統

無刷直流電機轉速單閉環負反饋控制可以保證系統在穩態條件下無靜差，但不能根據需要控制電機的電流或轉矩動態過程，主要用于動態特性較低的場合。體育輔助訓練器的驅動部件的控制系統結構圖，如圖1 所示。

圖1 體育輔助訓練器的驅動部件的控制系統結構圖

4 仿真結果與實驗分析

在本實驗中，電機的額定轉速為3000rmin。減速比為1:150 后，車輪的預期轉速為20rmin。體育輔助訓練器的總重量約為50kg，乘員的重量設定為80kg。質量之和約為130kg，重力G 為130N，連桿支撐點到體育輔助訓練器重心垂直線的水平距離d約為0.1m，因此，在本次模擬試驗中，無人乘坐時，電機的負載扭矩約為0.33N·m，負載扭矩為乘坐時的電機約為0.87N·m。

4.1 MATLAB 仿真

一種基于體育輔助訓練器速度調節的控制系統，利用MATLAB 進行仿真。MATLAB 仿真圖，如圖2 所示。

圖2 MATLAB 仿真圖

4.2 輔助訓練器的測試曲線與實際曲線的比較

輔助訓練器的測試曲線與實際曲線的比較圖，如圖3～6 所示。

圖3 測試曲線與實際曲線的比較圖1

圖4 測試曲線與實際曲線的比較圖2

輔助訓練器的測試曲線與輔助訓練器的實際曲線基本上相一致，符合輔助訓練實際教學和體育鍛煉的要求，在隴東學院體育學院實驗取得良好的效果；同時，在其他的地方體育的教學和訓練具有較強的借鑒意義。

由圖3～6 可知，其仿真結果表明：輔助訓練器的測試曲線與輔助訓練器的實際基本上相一致，更穩定，舒適度更高，誤差更小，精度更高，符合輔助訓練實際教學和體育鍛煉的要求。

4.2 實際測試實驗

實驗在隴東學院體育由茍小平副教授進行實驗，實驗數據的分析由甘肅省澤德電子技術有限公司的教授級高級工程師、高級經濟師、博士張萬軍進行對照實驗。輔助訓練器實際測試的照片，如圖7所示。

圖5 測試曲線與實際曲線的比較圖3

圖6 測試曲線與實際曲線的比較圖4

圖7 輔助訓練器實際測試的照片

輔助訓練器的測試與輔助訓練器的實際檢測基本上相一致，更穩定，舒適度更高，符合輔助訓練實際教學和體育鍛煉的要求。

5 結論

1）本文給出了一種基于體育輔助訓練器速度調節控制的算法，建立了一種基于體育輔助訓練器速度調節的控制系統，利用MATLAB 進行仿真。仿真結果表明：輔助訓練器的測試曲線與輔助訓練器的實際基本上相一致，更穩定，舒適度更高，誤差更小，精度更高，符合輔助訓練實際教學和體育鍛煉的要求。

2）在隴東學院體育學院實驗取得良好的效果；同時，在其他的地方體育的教學和訓練具有較強的借鑒意義。