摘 要：三軸電氣傳動搖擺臺是集機、電、儀及計算機于一體的高精度物理仿真試驗系統，其控制主要是通過對位置、速度、電流三閉環得以實現，本文針對雙閉環調速系統的速度環接入微分負反饋，并進行Simulink仿真，結果表明，可以明顯改善系統的性能，進而提升整個系統的控制精度。 關鍵詞：搖擺臺;雙閉環;微分負反饋 [b][align=center]Modeling and Simulation of Double Closed Loop System for 3-axis electric sway test platform Li Guang-wei, Han Ru-cheng, Pan feng, Wang Yan-xia[/align][/b] Abstract：The simulation sway test system is a high-accurate physical simulation system, which contains machinery、electric、instrument、computer technology and achieves mainly by controlling the position loop、velocity loop、current loop. By adding the differential negative feedback to the velocity loop of the traditional double closed loop, as can be seen from the simulation results, the system‘s performance can be improved obviously so as to enhance the accuracy of the entire swing table. Key words: swing table; double closed loop; differential negative feedback; 1. 前言 　　三軸電氣傳動搖擺臺（也稱轉臺）是集機、電、儀及計算機于一體的高精度物理仿真試驗系統。它不但可以模擬艦船在不同海情下縱、橫、艏三個自由度的運動姿態，進行模擬搖擺條件下的技術性能考核試驗，而且可以提供搖擺臺基準平面姿態角的“真值”。可用于被測設備在多種姿態角組合狀態下的靜態性能及在多種搖擺狀態下的動態性能分析，亦可對被試設備在搖擺條件下的技術性能進行考核[1]。 　　三軸電氣傳動搖擺臺主要由機械系統、控制系統、姿態角測量與計算機數據采集和處理系統及安全保護等輔助系統組成。 2.轉速、電流雙閉環調速系統原理 　　三軸電氣傳動搖擺臺的位置隨動系統是由轉速、電流、位置三閉環控制構成的。其中，要想得到位置跟蹤，必須首先設計電流、轉速的雙閉環系統。 　　2.1轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成 　　轉速、電流雙閉環控制直流調速系統是性能很好、應用最廣的直流調速系統。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯接。如圖1所示。其中，ASR為轉速調節器，ACR為電流調節器，TG為測速發電機，TA為電流互感器，UPE為電力電子變換器 Un＊為轉速給定電壓，Un為轉速反饋電壓，Ui＊為電流給定電壓，Ui為電流反饋電壓。 　　把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內環;轉速環在外邊，稱作外環。這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統[2]。 [align=center] 圖1 轉速、電流雙閉環直流調速系統結構[/align] 　　2.2 傳統轉速、電流雙閉環直流調速系統的工程化設計 　　轉速、電流雙閉環調速系統是一種雙閉環系統，設計雙閉環控制系統的一般方法是：從內環開始，逐步向外擴大，一環一環地進行設計。因此，對于雙閉環調速系統，應先從電流環開始，首先確定電流調節器的結構和參數，然后把整個電流環當作轉速環內的一個環節，和其他環節一起作為轉速環的控制對象，再來確定轉速調節器的結構和參數。 　　根據轉速、電流雙閉環直流調速系統的結構圖，按照轉速、電流雙閉環直流調速系統設計的工程化設計方法，可以得到轉速、電流雙閉環直流調速系統的動態結構框圖如圖2所示，在框圖中，設計了濾波環節（包括電流濾波、轉速濾波和兩個給定濾波環節）。由于來自電流檢測單元的反饋信號中常含有交流分量，需要加低通濾波，Toi為電流反饋濾波時間常數，其大小按需要選定。濾波環節可以濾除電流反饋信號中的交流分量，但同時使反饋信號延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中也加入一個時間常數與之相同的慣性環節，稱為“給定濾波”環節。其意義是：讓給定信號和反饋信號經過相同的延滯，使二者在時間上得到恰當的配合。 　　由測速發電機得到的轉速反饋信號中含有電動機的換向紋波，也需要經過濾波，轉速反饋濾波時間常數Ton也視具體情況而定。在轉速給定通道中也引入時間常數為Ton的濾波環節[3]。 [align=center] 圖2 轉速、電流雙閉環直流調速系統的動態結構框圖[/align] 　　2.3 改進型雙閉環調速系統 　　根據自動控制系統設計理論，采用PI調節器的雙閉環調速系統具有良好的穩態與動態性能，結構簡單，工作可靠，設計方便。然而，其動態性能的不足之處就是轉速超調，而且抗擾性能不佳，為此，在傳統轉速換引入轉速微分負反饋，這樣就可以抑制轉速超調直到消滅超調，同時可以大大降低動態速度降落。其動態結構框圖如圖3所示。其中，Todn為轉速微分濾波時間常數。 [align=center] 圖3 改進型轉速、電流雙閉環直流調速系統的動態結構框圖[/align] 3.基于Simulink的轉速、電流、位置雙閉環調速系統建模 　　3.1系統仿真模型 　　由于永磁式直流力矩電機使用特殊的磁性材料，它在相同的轉子外徑和電樞電流的情況下，力矩系數較大，所以產生的力矩也較大，從而使電機的加速性能和響應特性都有顯著的改善，在低速時能輸出較大的力矩[4]。為此我們采用了分裝式力矩電機（即電機轉子直接安裝到臺體軸上），省去了減速齒輪，消除了齒隙影響，因此提高了整個系統的剛度、低速設計的平穩性和跟蹤精度。 　　電機參數如下：峰值堵轉電壓200V，峰值堵轉電流13A，最大空載轉速30r/min，電樞電阻15.2Ω，連續堵轉扭矩≥300N·m，連續堵轉電壓92.3V，連續堵轉電流6A，轉子轉動慣量4.5㎏·m2，電樞電感170mH，轉矩波動系數≤1%。 　　按照轉速、電流雙閉環直流調速系統設計的工程化設計方法，依據如上所述電機參數，運用MATLAB軟件，建立雙閉環調速系統的Simulink仿真模型[5]，如圖4所示，其單位階躍響應曲線如圖5所示，其單位階躍負載擾動曲線如圖6所示。 [align=center] 圖4 雙閉環調速系統仿真模型[/align] [align=center] 圖5 雙閉環調速系統的單位階躍響應曲線[/align] [align=center] 圖6 雙閉環調速系統的單位階躍負載擾動響應曲線[/align] 　　3.2 改進的系統仿真模型 　　從圖5、6中可以看出，其節約響應的超調量比較大，系統抗負載擾動能力比較弱。為減小其超調量，我們為其速度環設計一微分負反饋，如圖7所示，其單位階躍響應曲線如圖8所示，其單位階躍負載擾曲線如圖9所示。 [align=center] 圖7 轉速微分負反饋雙閉環調速系統仿真模型 圖8 轉速微分負反饋雙閉環調速系統的單位階躍響應曲線 圖9 轉速微分負反饋雙閉環調速系統的單位階躍負載擾動響應曲線[/align] 　　3.3 仿真結果分析 　　從圖5、6和圖8、9的比較中可以看出，采用轉速微分負反饋后，系統的超調量明顯減小，轉速微分負反饋作用彰顯無遺，其負載擾動比傳統雙閉環系統的動態降落要小得多，從而可以提高轉臺系統的控制精度。如果繼續增大微分負反饋增益，可以實現基本無超調，但系統最大動態降落時間與恢復時間要長一些。 4. 結論 　　三自由度轉臺控制系統是基于位置、速度、電流三閉環控制的先進控制系統，其中速度、電流雙閉環的設計是其設計位置環的前提，通過對速度環加入轉速微分負反饋，可以明顯改善系統的動靜態性能，提升系統的穩態精度，達到理想的控制效果。 參考文獻： 　　[1] 周力，張林. 搖晃軸試驗臺架控制系統[J]. 工程機械，2003，（05）：29-31. 　　[2] 陳伯時，阮毅，陳維鈞，等. 第3版. 電力拖動自動控制系統——運動控制系統[M]. 北京：機械工業出版社，2003. 　　[3] 楊耕，羅應立，等. 電機與運動控制系統[M]. 北京：清華大學出版社，2006. 　　[4] 叢爽，李澤湘. 實用運動控制技術[M]. 北京：電子工業出版社，2006. 　　[5] 黃忠霖，周向明. 控制系統MATLAB計算及仿真實訓[M]. 北京：國防工業出版社，2006.