1.引言

　　顫振試飛歷來(lái)是飛機(jī)試飛關(guān)注的課題，因?yàn)樗苯佑绊戯w行安全。在顫振試飛實(shí)驗(yàn)中，顫振激勵(lì)系統(tǒng)是顫振試飛的重要設(shè)備之一。

　　直流伺服系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)單元，是顫振激勵(lì)及分析系統(tǒng)研制中技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)較大的一環(huán)，涉及到同步控制、小型特種永磁無(wú)刷直流伺服電機(jī)技術(shù)等一系列問(wèn)題。本文以LabVIEW 7軟件為開發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用LabVIEW 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能及其PID和Fuzzy logic兩個(gè)工具箱為該伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)基于虛擬儀器的控制器，完成雙電機(jī)的同步控制。

　　伺服系統(tǒng)是用來(lái)地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動(dòng)系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，  伺服系統(tǒng)其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。

　　伺服系統(tǒng)（servomechanism）是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。

　　2 基于虛擬儀器同步伺服系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)

　　2.1 同步伺服系統(tǒng)的組成

圖1 位置--速度雙閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)原理框圖

　　整個(gè)顫振激勵(lì)器的直流伺服系統(tǒng)原理框圖如圖1。該直流伺服系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)的同步控制，包括實(shí)時(shí)位置同步、速度同步、差動(dòng)同步以及速度跟隨等功能，采用雙閉環(huán)控制。外環(huán)是位置閉環(huán)，利用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PCI6221的計(jì)數(shù)器與光電編碼器相結(jié)合檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，引入位置閉環(huán)既可以較方便的采用先進(jìn)控制算法又可以將位置差通過(guò)同步控制算法形成控制信號(hào)以確保同步；內(nèi)環(huán)是速度閉環(huán)，通過(guò)Mc33039芯片檢測(cè)轉(zhuǎn)子速度，引入速度閉環(huán)來(lái)提高直流伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)可以大大削弱系統(tǒng)參數(shù)變化的不利影響，抑制摩擦和間隙等非線性的不良作用，具有較高的抗干擾性能。

　　2.2 控制器的設(shè)計(jì)

　　2.2.1總體設(shè)計(jì)

　　控制器是按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)和反向的主令裝置。

　　控制器作為伺服系統(tǒng)的，將來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、分析和加工，按照一定的程序給出相應(yīng)的指令，從而控制整個(gè)系統(tǒng)有條不紊地運(yùn)行，因而無(wú)疑對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣起著非常重要的作用。

　　PID控制算法是一種工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用的控制策略，在過(guò)程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象──“一階滯后＋純滯后”與“二階滯后＋純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD、…）。傳統(tǒng)的PID控制器具有原理簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，易于調(diào)整，穩(wěn)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)具有線性、有確定模型的系統(tǒng)易于整定到控制效果。

　　2.2.2電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

　　2.2.3同步算法實(shí)現(xiàn)

　?。?）速度電壓關(guān)系分段線性化

　　本同步伺服系統(tǒng)甲、乙兩臺(tái)電機(jī)均為無(wú)刷直流電機(jī)，設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致，電機(jī)供電電壓為直流15伏，采用PWM調(diào)速方式。在正常供電情況下，PWM端輸入電壓信號(hào)大于1.4伏，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著調(diào)速電壓信號(hào)的加大，電機(jī)轉(zhuǎn)速開始加快，但是很明顯轉(zhuǎn)速和調(diào)速電壓之間不是線性關(guān)系。為此首先測(cè)定轉(zhuǎn)速和調(diào)速電壓之間的關(guān)系，然后將其分段線性化，使電機(jī)轉(zhuǎn)速在較窄的范圍內(nèi)和調(diào)速電壓建立近似線性關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于甲、乙兩組電機(jī)分別算出在轉(zhuǎn)速（r/s）不同的情況，調(diào)速電壓（V）與轉(zhuǎn)速之間的近似線性關(guān)系如下：

圖2：電機(jī)轉(zhuǎn)速-調(diào)速電壓關(guān)系曲線

　　利用這組近似關(guān)系，可以確定在固定轉(zhuǎn)速情況下甲、乙兩臺(tái)電機(jī)的電壓設(shè)定值，然后利用數(shù)據(jù)采集卡PCI6221的計(jì)數(shù)器，通過(guò)LabVIEW編程采集光電編碼器脈沖個(gè)數(shù)（電機(jī)每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1024個(gè)方波脈沖），可以算出此時(shí)電機(jī)的確切轉(zhuǎn)速，將此轉(zhuǎn)速通過(guò)上述近似關(guān)系式可以求得對(duì)應(yīng)的實(shí)際調(diào)速電壓值，將設(shè)定電壓值與實(shí)際電壓值之差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速在不同的階段所對(duì)應(yīng)的比例增益系數(shù)、積分增益系數(shù)不相同，在同一個(gè)轉(zhuǎn)速階段的上升階段與平穩(wěn)階段所對(duì)應(yīng)的比例增益系數(shù)、積分增益系數(shù)也不相同。為了達(dá)到理想的控制效果，首先利用電機(jī)模型及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以初步確定比例增益系數(shù)、積分增益系數(shù)；其次通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比例增益系數(shù)、積分增益不斷進(jìn)行調(diào)整以確定不同階段的相對(duì)應(yīng)的為合適的比例增益系數(shù)、積分增益系數(shù)；利用模糊集合理論，建立一個(gè)模糊規(guī)則庫(kù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自整定。

　　（2）建立模糊PID控制器

　　工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制器是根據(jù)PID控制原理對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，從而使被控變量的實(shí)際值與工藝要求的預(yù)定值一致。不同的控制規(guī)律適用于不同的生產(chǎn)過(guò)程，必須合理選擇相應(yīng)的控制規(guī)律，否則PID控制器將達(dá)不到預(yù)期的控制效果。

　　在LabVIEW前面板或控制面板的tools菜單下面打開 fuzzy logic controller design子選項(xiàng)就可以方便的設(shè)計(jì)和修改模糊控制器的隸屬函數(shù)、規(guī)則庫(kù)、推理規(guī)則等。設(shè)計(jì)的結(jié)果保存在一個(gè)以。fc結(jié)尾的文件中，以備在應(yīng)用程序中調(diào)用。Control下面的Fuzzy controller子程序用于在程序中實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。Control下面的Load fuzzy controller將。fc結(jié)尾的文件調(diào)入應(yīng)用程序并將指定文件的PID參數(shù)加載到應(yīng)用程序的模糊控制器中。三者緊密相連環(huán)環(huán)相扣，能方便直觀的完成模糊控制器的設(shè)計(jì)、編輯、加載。

　　（3）同步控制

　　雖然已經(jīng)建立了初步的模型，并采用模糊PID進(jìn)行調(diào)節(jié)，但為了進(jìn)一步提高伺服系統(tǒng)的同步性，將兩者的位置或速度差，乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)，形成一個(gè)微小值。對(duì)速度快者降低電壓設(shè)定值，對(duì)速度慢者提高電壓設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的同步控制。由于在轉(zhuǎn)速較低的情況下，電機(jī)對(duì)對(duì)電壓信號(hào)更為敏感，因而此時(shí)系數(shù)可以設(shè)置的較小，高速時(shí)系數(shù)可以設(shè)置的較大，但兩種情況下均不能設(shè)的很大，否則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)不穩(wěn)定。

　　3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本同步伺服系統(tǒng)共完成了速度跟隨、速度同步、位置同步、差動(dòng)同步四種實(shí)驗(yàn)，其中速度跟隨包括恒速跟隨、線性跟隨、含階躍信號(hào)的線性跟隨三種。

　　4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

　?。?）對(duì)于輸入的數(shù)字信號(hào)，伺服系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)如圖3中a、b、c所示波形的實(shí)時(shí)速度跟隨。

　　（2）能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)的實(shí)時(shí)速度同步運(yùn)行，閉環(huán)控制，如圖3中d所示誤差不累積，相對(duì)轉(zhuǎn)速差不累積且可以控制在10r/min以內(nèi)。

　?。?）能實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)的實(shí)時(shí)位置同步運(yùn)行，閉環(huán)控制，如圖3中e所示誤差不累積，相對(duì)角度差不累積且可以控制在±6°以內(nèi)。

　?。?）能夠?qū)崿F(xiàn)單臺(tái)電機(jī)預(yù)先轉(zhuǎn)動(dòng)給定角度后，另一臺(tái)電機(jī)才開始轉(zhuǎn)動(dòng)，然后兩臺(tái)電機(jī)保持該恒定相位差同步運(yùn)行，如圖3中f所示，誤差控制在±4°。

　　5.結(jié)論

　　利用本文提及的分段線性法、模糊PID控制理論、以及同步控制法相結(jié)合設(shè)計(jì)的控制器可以實(shí)現(xiàn)同步伺服系統(tǒng)的控制要求。利用這些方法和理論可以繼續(xù)向速度更低或更高的階段發(fā)展，因而即便在更寬的速度范圍內(nèi)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)雙電機(jī)的同步控制。另外由于本文中控制器的算法較為復(fù)雜、程序量較大且都是在操作系統(tǒng)（準(zhǔn)確度只能達(dá)到毫秒級(jí)）的平臺(tái)上運(yùn)行，僅執(zhí)行周期就接近10毫秒，因而我們的調(diào)節(jié)頻率較低為20Hz，如果能設(shè)法提高調(diào)節(jié)頻率，相信控制效果會(huì)有更進(jìn)一步的改善。