某保溫箱頂蓋同步控制策略研究

2023-11-06 09:03:06喬西寧王志勇李德忠

導彈與航天運載技術 2023年4期

喬西寧，王志勇，李德忠

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引言

某保溫箱頂蓋系統由左右艙蓋兩部分組成，驅動方式為電驅。為降低單電機驅動功率，單邊艙蓋由前、后兩個電動缸驅動。由于艙蓋前后尺寸較長，且艙體主體材料為復合材料，在艙蓋運動過程中易產生變形，為保證艙蓋的密封性，避免艙蓋運動過程中前后電動缸不同步造成疲勞損壞，對前后電動缸的同步精度提出了很高的要求。

由于單邊艙蓋由前后兩個電動缸驅動，為保證較高的控制精度，采用速度環、位置環的雙閉環控制策略。試驗過程中發現，經典PⅠD控制算法的控制精度受負載影響較大，風載、溫度變化、機構磨損等帶來的負載變化均會影響艙蓋電動缸的同步控制精度，導致艙蓋啟動與停止時刻的精度難以滿足指標要求。近年來，模糊PⅠD控制算法在工業自動化領域的應用越來越廣泛，如軌跡跟蹤、溫度控制、電液控制系統等［1-3］，模糊PⅠD控制器具有參數適應性強、響應速度快、控制精度高的特點，因此，針對該問題，設計了一種模糊PⅠD控制器，并將其應用于前后電動缸的位置閉環控制，提高了保溫箱頂蓋系統的同步精度與抗干擾能力。

1 保溫箱頂蓋系統組成及控制

單邊艙蓋機構組成如圖1所示。艙體具有整車保溫艙的密封、防雨功能。電動缸為前后各1個，圖示位置處重疊，前后兩電動缸的位移通過位移傳感器反饋至控制器，完成雙缸同步控制。艙蓋開關到位的極限位置由接近開關反饋，確保艙蓋運行安全。

圖1 單邊艙蓋機構組成示意Fig.1 Schematic diagram of unilateral hatch cover

1.1 系統主要參數

電動缸在電機驅動下，將電機軸的旋轉運動轉換為電動推桿的直線運動。電動缸結構如圖2所示。

圖2 電動缸結構Fig.2 Structure of electric cylinder

電動缸位移與電機轉角的換算公式為

式中SL為電動推桿位移，單位為mm；θm為電機軸轉角，單位為rad；P為絲杠導程，單位為mm；i為減速比。

忽略電機軸的彈性變形，電機軸轉矩與電動推桿負載之間的換算公式為

式中TL為電機軸輸出力矩，單位為N·m；JD為電機軸等效轉動慣量，單位為kg·m2；B為電機軸等效阻尼系數，單位為（N·s）/m；Kt為轉矩常數，單位為(N·m)/A；I為電機電流，單位為A。

艙蓋系統的主要特性參數如表1所示。

表1 特性參數Tab.1 Characteristic parameters

1.2 控制系統設計

控制器接收主機的開蓋、關蓋指令，通過電機驅動器驅動電機控制電動缸的伸收，完成艙蓋的開關動作。通過位移傳感器采集前、后電動缸各自的位移信息，將前后電動缸位移差通過閉環控制運算后對后電動缸的轉速進行補償，進而完成前后電動缸的位移同步控制。通過接近開關到位信號進行艙蓋開關到位極限位置判斷，起到安全保護作用。根據結構布置及驅動形式，艙蓋控制系統如圖3所示。

圖3 控制系統Fig.3 Schematic of control system

2 控制算法設計

2.1 控制指標要求

艙蓋系統控制指標要求如表2所示。

表2 指標要求Tab.2 Ⅰndex requirements

2.2 控制策略設計

為保證單側艙蓋前后電動缸的同步精度，前電動缸采用速度環控制，根據不同的運動區間，規劃不同的目標速度。速度環控制偏差在時域上的積分將導致位置控制精度隨時間的延長逐漸變差。后電動缸采用速度環、位置環控制，在速度環的基礎上，引入前后電動缸的位移差對目標速度進行補償。控制框圖如圖4所示。

圖4 控制原理Fig.4 Diagram of control block

2.3 經典PⅠD控制試驗結果分析

艙蓋電動缸的速度環、位置環的閉環控制均采用經典PⅠD控制算法。

經典PⅠD調節的控制算法如式（3）所示：

式中Kp，Ki，Kd分別為比例、積分、微分常數；T為控制器閉環控制周期；ek為當前循環的控制偏差；ek-1為上次循環的控制偏差。受總線型位移傳感器的傳送周期限制，控制器閉環控制周期為10 ms，微分常數設置為0。

艙蓋控制系統調試完成后，通過主機對總線數據進行采集，由于發射車左側蓋右側蓋是對稱的，僅對單邊艙蓋試驗數據進行分析。

以右側電動缸為例，右側前電動缸位移及電機轉速曲線如圖5所示。艙蓋完全開啟時，對應的電動缸位移為338.3 mm，滿足位移要求。艙蓋開啟時間為32.33 s，滿足時間要求。

圖5 電動缸位移、轉速曲線Fig.5 Displacement curve of electric cylinder

右側艙蓋前后電機的轉速差及電動缸位移差曲線如圖6所示。

圖6 前、后電動缸轉速、位移偏差曲線Fig.6 Deviation curve of front and rear electric cylinder speed and displacement

由圖6 可知，在4.59～6.74 s 區間內，位移偏差從3.65 mm 變為-4.39 mm，在24.56～25.88 s 區間內，位移偏差從-4.3 mm 變化為-0.44 mm。對比圖5，位移偏差的變化與轉速變化的區間相吻合，位移偏差變化發生在轉速變化過程中。由于前后電動缸的速度環動態特性存在差異，位置環控制精度受轉速變化較為明顯。在電機高速運轉后，位置環穩態誤差為-4.39 mm，不滿足指標要求。

結合式（3），比例、積分系數為固定值，若設置較大的值，在前電動缸從高速切換低速后容易引起后電動缸的位置超調，若設置較小的值，后電動缸的響應速度與前、后電動缸的穩態控制精度會受影響，位置環的控制偏差發生變化時，應及時調整比例、積分系數以保證控制精度滿足控制指標要求。

3 模糊PⅠD控制器設計

3.1 控制原理

為克服經典PⅠD 控制算法的不足，將圖4 中的位置閉環控制器改進為模糊PⅠD控制器，使得控制參數能夠根據控制偏差及偏差變化率進行實時調整［4］。以控制偏差Δx、變化率Δx?作為模糊推理機的輸入，模糊推理后輸出ΔK?p、ΔK?i，然后逆模糊化得到實際修正量ΔKp、ΔKi。依據式（4）對比例、積分系數進行實時修正：

電動缸位置環模糊PⅠD控制器原理如圖7所示。

圖7 模糊PⅠD控制原理Fig.7 The principle block diagram of fuzzy PⅠD control system

3.2 模糊化、逆模糊化處理

模糊集［5］選取｛NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB｝，即｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝。比例系數初值Kp0，積分系數初值Ki0初值為6.5、1.2。由圖6 可知，位置偏差Δx一直在區間［-4.42，2.67］內，偏差Δx的變化率Δx?一直在區間［-7.86，5.27］內。偏差Δx、偏差變化率Δx?、比例系數修正量ΔKp、積分系數修正量ΔKi論域均取為［-10，10］，量化因子依次取2.82、0.76、1.54、8.33。

選取三角函數和鐘形函數相結合的隸屬度函數［6］。隸屬度函數如圖8、9所示。