【学术论文】通用测试转台控制系统的设计与研究
摘要
设计并研制了一款针对弹舱测试的通用型测试转台，并针对其在测试不同负载过程中所出现的系统振荡、系统响应时间长等问题进行了深入研究。提出了一种模糊自适应PID控制方法，以误差和误差变化率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，从而消除系统振荡并提高系统响应速度。通过进行系统建模及仿真，对比不同负载下的普通PID控制与模糊自适应PID控制的控制效果。由仿真分析可知，相对于普通PID控制，模糊自适应PID控制可以及时识别到负载的变化，从而相应地调节系统的PID参数，使系统保持一定的响应速度。
中文引用格式： 郭彦青，段志强，王龙，等. 通用测试转台控制系统的设计与研究[J].电子技术应用，2019，45(3)：42-45，49.
英文引用格式： Guo Yanqing，Duan Zhiqiang，Wang Long，et al. Design and research of universal test turntable control system[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(3)：42-45，49.
0 引言
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PID控制即可实现[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。
参考文献
[1] 王小艳.基于多种总线的测量综合控制器测试台的研究与实现[D].太原：中北大学，2009.
[2] 马敏.并行多任务自动测试系统分层化建模及其关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2008.
[3] 邹逢兴.计算机硬件技术及应用基础[M].北京：中国水利水电出版社，2010.
[4] 任工昌，吴梦珂，朱爱斌，等.带单节拖车的机器人控制系统的设计与实现[J].电子技术应用，2018，44(11)：41-44，49.
[5] 王海涌，张为玮，王卫.多轴运动控制器在转台控制系统中的应用[J].电子技术应用，2010，36(3)：97-99.
[6] 钟志华.一种通用雷达自动化测试设备的研究及其应用[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.
[7] 赵辉.基于内模控制原理的PID控制器设计[D].天津：天津大学，2005.
[8] 陆伟男，蔡启仲，李刚，等.基于四轴飞行器的双闭环PID控制[J].科学技术与工程，2014，14(33)：127-131.
[9] 管萍，和志伟，戈新生.高超声速飞行器的神经网络PID控制[J].航天控制，2018，36(1)：8-13.
[10] 李航，王耀力.四旋翼飞行器中PID控制的优化[J].电子技术应用，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] 佟绍成，王涛，王艳平，等.模糊控制系统的设计及稳定性分析[M].北京：科学出版社，2004.
[13] 张涛.基于模糊PID控制算法的输弹机优化设计[D].太原：中北大学，2017.
[14] 马晓爽，石征锦.一种改进Fuzzy-PID技术的飞行器姿态控制系统设计[J].电子技术应用，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，朱龙英，成磊，等.串联机器人轨迹跟踪控制模糊自适应PID算法的误差修正[J].电子技术应用，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，王自强.基于神经网络的摆动电机的模糊PID控制[J].电子设计工程，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] 冉华军，李健，牟书丹.基于模糊自适应PID控制的直流电机调速系统[J].通信电源技术，2017，34(1)：23-25.
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）