引言

飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)是一種通過(guò)伺服控制并且需要高精度控制系統(tǒng)的重要實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)備，它可仿真模擬飛機(jī)空中飛行狀態(tài)和動(dòng)作，如：俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航。飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際上是一種將電信號(hào)轉(zhuǎn)換到機(jī)械運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。但如何提高飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能一直是這一領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)。我國(guó)對(duì)飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)中期，主要分布于航天、兵器、航空、船舶等相關(guān)領(lǐng)域。在新產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，隨著目前計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和伺服技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在高精度三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)中實(shí)現(xiàn)伺服控制已成為可能。

近幾年以來(lái),國(guó)際上對(duì)多速率采樣理論的分析研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，并為離散控制系統(tǒng)的前饋控制分析研究開(kāi)辟了廣闊的研究空間。H.Fujimoto（日本學(xué)者）曾提出采用多速率采樣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)指令完全跟蹤的控制方案，此控制方案的核心是將SISO的被控對(duì)象通過(guò)MIMO的狀態(tài)方程描述出來(lái),從而構(gòu)造出被控對(duì)象狀態(tài)的傳遞函數(shù)矩陣來(lái)。該方法的提出目前逐漸成為此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前國(guó)際上對(duì)該方案在單相逆變器、基于視覺(jué)的伺服控制、永磁同步電機(jī)諧波電流抑制、交流伺服等相關(guān)領(lǐng)域的研究上取得了很大進(jìn)步，而我國(guó)對(duì)該方案的研究才剛剛起步。

轉(zhuǎn)臺(tái)作為飛行仿真器和導(dǎo)航測(cè)試主要組成部分，為使飛行仿真器具有更高的精度，提高轉(zhuǎn)臺(tái)的精度是必不可少。但目前對(duì)飛行器轉(zhuǎn)臺(tái)的研究還存在很多的制約因素，如：無(wú)法準(zhǔn)確確定被控對(duì)象、現(xiàn)有控制理論的局限性、外界干擾因素等。但其中最主要的因素之一就是被控對(duì)象的不確定性。由于在實(shí)際應(yīng)用是系統(tǒng)比較復(fù)雜，又無(wú)法建立比較完善的建模理論，因此，無(wú)法精確的建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)，往往采用低階模型代替高階模型，用線性模型代替非線性模型。由于環(huán)境因素不確定，往往使得被控對(duì)象與所建立的數(shù)學(xué)模型間存在差異。目前，隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，航空、航天領(lǐng)域?qū)︼w行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的精度和響應(yīng)頻率等技術(shù)參數(shù)的要求也越來(lái)越高，給轉(zhuǎn)臺(tái)的制造和控制水平提出了新的挑戰(zhàn)，也給伺服控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

1、飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)介紹

飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)主要由外框、中框和內(nèi)框三部分組成，如圖1所示為某型號(hào)的三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)示意圖，中框和內(nèi)框都采用閉合式結(jié)構(gòu)，外框采用音叉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)中外三框采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)可進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)。將陀螺儀和導(dǎo)引頭等傳感器安裝在內(nèi)框上用于感應(yīng)飛機(jī)的飛行姿態(tài)和角運(yùn)動(dòng)，其傳感器和控制器的I/O信號(hào)通過(guò)導(dǎo)電環(huán)從底座引出，從而將各種姿態(tài)采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)。外中內(nèi)三框分別表示的物理意義為：外框表示飛機(jī)偏離航線、中框表示飛機(jī)俯仰、內(nèi)框表示飛機(jī)滾轉(zhuǎn)，三個(gè)框同時(shí)進(jìn)行動(dòng)作就可仿真出飛行在三維空間的真實(shí)姿態(tài)。

圖1某型號(hào)的三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)示意圖

本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分主要是外框、中框和內(nèi)框分別采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)都由各自的伺服控制器進(jìn)行電機(jī)動(dòng)作的控制。三框還分別安裝了一個(gè)感應(yīng)同步器和一個(gè)測(cè)速機(jī)，用以監(jiān)測(cè)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角位置和角速度。

轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)中外三個(gè)框架在控制上是相互獨(dú)立的，因此本控制系統(tǒng)采用如圖2所示的方案。該控制方案采用上位機(jī)和下位機(jī)相結(jié)合的控制方式。采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，實(shí)時(shí)對(duì)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理。下位機(jī)則用于對(duì)三個(gè)通道的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行直接控制。因?yàn)槊總€(gè)通道控制回路的物理結(jié)構(gòu)是相同的，所以三個(gè)通道之間的控制關(guān)系為并行關(guān)系。

圖2飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)的操作面板用于設(shè)置系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并且將工作狀態(tài)的相關(guān)信息在上位機(jī)進(jìn)行顯示。上位機(jī)在將設(shè)置的指令傳送給下位機(jī)，上位機(jī)與下位機(jī)之間采用總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。下位機(jī)可將實(shí)時(shí)根據(jù)采集到的反饋信號(hào)，依據(jù)編寫(xiě)的控制程序算法，換算出輸出量，然后通過(guò)數(shù)字量/模擬量輸出，經(jīng)控制器控制電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)飛行器轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)時(shí)控制。

2、轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)學(xué)模型建立

因?yàn)檗D(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)中外三個(gè)框架在控制方式上是相互獨(dú)立的，因此可分別對(duì)單個(gè)框架進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[6]。以下所建立的飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)學(xué)建模：

本控制系統(tǒng)為保證控制系統(tǒng)的靜態(tài)精度和穩(wěn)定性，并且使控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和對(duì)外界擾動(dòng)的調(diào)節(jié)能力，依次采用了設(shè)計(jì)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)對(duì)輸出進(jìn)行控制。

3.1電流環(huán)設(shè)計(jì)

采用電流環(huán)負(fù)反饋可允許電機(jī)具有過(guò)載能力，也可限制最大電流值，從而對(duì)電機(jī)得快速起動(dòng)或制動(dòng)起到保護(hù)作用。

3.2速度環(huán)設(shè)計(jì)

速度環(huán)設(shè)計(jì)是位置控制系統(tǒng)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，可以保證速度回路的靜態(tài)精度。本系統(tǒng)采用測(cè)速機(jī)作為速度反饋元件，從而構(gòu)成速度反饋環(huán)。

3,3位置環(huán)設(shè)計(jì)

圖3飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)的位置環(huán)控制系統(tǒng)由：速度環(huán)、PWM、力矩電機(jī)和測(cè)速機(jī)等組成。因位置環(huán)控制器為數(shù)字式控制器，因此可通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)控制系統(tǒng)在進(jìn)行速度跟蹤控制時(shí)，只有精確的位置信號(hào)，但沒(méi)有準(zhǔn)確的測(cè)速元件，因此只能通過(guò)位置信號(hào)差分的方法來(lái)得到速度信號(hào)，然后再進(jìn)行位置閉環(huán)控制，通過(guò)位置環(huán)的精度來(lái)控制速度環(huán)的精度。

4、控制系統(tǒng)仿真

本控制系統(tǒng)是針對(duì)三軸飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其中內(nèi)框采用PID方式進(jìn)行控制。為了是控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)精度，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行微分補(bǔ)償，從而構(gòu)成了對(duì)PID進(jìn)行前饋復(fù)合控制。如圖4所示為在MATLAB/Simulink軟件中建立的飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)仿真圖。

圖4飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)仿真圖

本控制系統(tǒng)中設(shè)定定時(shí)中斷為1ms，采集數(shù)據(jù)間隔為1ms，并在內(nèi)框中增加30公斤的負(fù)載。采用PID前饋復(fù)合控制，分別設(shè)定輸入位置命令為0.5度，輸入信號(hào)頻率為1.5Hz正弦信號(hào)，設(shè)定輸入位置指令為1o、輸入信號(hào)頻率為2Hz正弦信號(hào)，通過(guò)運(yùn)行仿真軟件可以得到如圖5所示的輸入信號(hào)與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的仿真效果（圖中X軸單位為o，Y軸單位為s）。

圖5飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)PID前饋復(fù)合控制仿真圖

通過(guò)仿真圖可以看出，加入PID前饋的復(fù)合控制非常符合理想輸出，從而證實(shí)了本控制系統(tǒng)的可應(yīng)用性。

5、結(jié)論

本文對(duì)飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的總體控制方案進(jìn)行介紹，并搭建了單框轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)方法的介紹，并對(duì)控制方案的穩(wěn)定性和精度問(wèn)題進(jìn)行了分析。通過(guò)MATLAB仿真平臺(tái)搭建了控制系統(tǒng)的仿真模型，采用算例模擬仿真輸入信號(hào)，為仿真模型發(fā)送固定頻率信號(hào)和位置指令，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制方案的有效性。