基于模糊PID的直线舵机力加载系统研究

摘要

直线舵机力加载器是一种模拟飞行器在空中飞行时舵面所承受的空气阻力产生的动载荷的力加载机构，是一种十分典型的被动式力加载伺服控制系统。基于国内外对模拟力加载系统的研究和国防工业对力加载器的需求，本文研制出一套三通道的直线舵机力加载测试系统，并针对加载伺服系统的机械结构、软硬件控制系统及模糊PID算法进行了优化，以有铁芯直线电机作为动力驱动元件，模拟了风阻给舵机加载四种动载荷的测试研究。 首先，分析了控制系统的加载方式和控制方式，研究了直线舵机力加载系统的关键技术，提出了三通道加载系统的机械结构、系统的组成和系统的工作原理；建立了数学模型，分析了直线舵机力加载系统的硬件和软件结构，并优化了机械结构和控制系统结构；通过在Codesys环境下的编程和调试，优化了软件系统的结构，设计了主程序、点动模块、力闭环模块程序。 其次，分析了直线电机的结构与工作原理，结合SVPWM控制方法优化了直线电机的数学模型，并采用MATLAB/simulink进行仿真模型的搭建，引入了虚拟轴的随动控制策略，设计了一种虚拟轴的虚实映射计算算法，并通过虚拟轴来控制实轴运动作为系统的输入量，保证系统稳定、安全、高精度的运行。针对传统PID控制无法满足此系统的高精度加载要求，设计了一种模糊PID算法的控制器来使系统具有良好的抗干扰性和优良的跟踪性能，并且通过仿真模拟测试了阶跃信号、线性信号、正弦信号下的力加载，验证了此系统中模糊PID算法的控制性能明显优于传统PID。 最后，以直线舵机为承载对象，利用有铁芯直线电机、力传感器、光删尺等元件搭建了力加载控制系统的实验平台，并通过伺服系统的动态联调实验，在直线舵机做往复运动的情况下，测试了恒力加载、线性力加载、静力加载、正弦力加载这四种模式下的实验，系统的力跟随响应时间为100ms～300ms之间优于技术指标，验证了此系统的动态加载性能，能够满足抗干扰能力强、无抖动、跟踪性能强、消除多余力的要求。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题的来源及研究目的和意义

1.2国内外舵机力加载系统研究现状

1.2.1加载方式

1.2.2控制方式

1.3直线舵机力加载系统的关键技术

1.4课题的技术指标

1.5本课题的主要研究内容

第2章 直线舵机力加载系统设计

2.1系统的组成与原理方案

2.1.1动力驱动方式设计

2.1.2系统的设计

2.1.3系统的原理

2.2系统的硬件设计

2.2.1机械平台的组成

2.2.2 控制电路设计

2.2.3配电柜的设计

2.3 系统软件结构设计

2.3.1系统的编程环境

2.3.2 控制系统程序

2.4 本章小结

第3章 加载直线电机数学模型与仿真

3.1加载直线电机的结构与工作原理

3.2 SVPWM控制方法的原理与实现

3.3直线电机数学模型的系统

3.3.1坐标变换

3.3.2 直线电机在 dq 坐标系下数学模型

3.3.3直线电机的仿真模型的搭建

3.4 本章小结

第4章 引入虚拟轴的模糊PID算法及仿真

4.1虚拟轴随动控制

4.1.1虚拟轴的控制原理

4.1.2虚拟轴的虚实映射计算

4.2 模糊PID控制控制器的设计

4.2.1系统的模糊化运算

4.2.2隶属函数的设定

4.2.3 模糊-PID 控制器的模糊规则的设定

4.2.4 模糊-PID 控制器的去模糊化运算

4.3 仿真分析

4.3.1阶跃信号仿真结果分析

4.3.2线性信号的仿真结果分析

4.3.3正弦信号的仿真结果分析

4.4本章总结

第5章 系统的实物搭建及实验结果分析

5.1加载台主要元件

5.1.1直线电机的选型

5.1.2力传感器的选型

5.1.3光栅尺的选型

5.2上位机

5.3 加载台实际负载控制结果分析

5.3.1恒力加载

5.3.2线性力加载

5.3.3静力加载

5.3.4正弦力加载

5.4本章小结

第6章 结论

6.1工作总结

6.2 展望

参考文献

致谢

附页 攻读硕士研究生期间发表论文