文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.183112
中文引用格式： 郭彥青，段志強，王龍，等. 通用測試轉臺控制系統的設計與研究[J].電子技術應用，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
隨著科技的發展，專用測試設備越來越難滿足測試的需求，暴露出很多弊端[1]。在20世紀80年代中期，以美軍為例，各類專用自動測試設備多達兩千多種，總數超過30萬臺，每年專用自動化測試設備的開發費用就超過10億美金[2]。美軍在80年代制定了“通用自動測試設備”計劃，旨在建立符合“自動化、標準化和通用化”標準的測試保障平臺，達到降低研制費用、提高綜合診斷測試結果對的目的[3]。轉臺作為導彈、飛機等飛行器的重要測試工具，相關性能的要求也隨之越來越高[4-5]。本文設計一種通用測試轉臺，通過對不同的標準硬件進行組合和專用機構的調整，以適應多種導彈進行測試[6]。
傳統的專用測試轉臺往往只面向一種類型的導彈進行測試，在設計其控制系統時也只需考慮一種情況，因此其控制系統相對比較簡單，利用傳統PID控制即可實現[7-10]。而在進行通用測試轉臺的控制系統設計時，需考慮在更換不同導彈類型之后控制系統所受到的影響，在更換導彈之后，系統的很多參數都會發生變化，普通PID控制無法適應變參數控制系統。與傳統PID控制方式相比，模糊控制適合于那些難以建立精確數學模型、具有非線性和大滯后過程的控制系統[11-17]。本文著重研究變負載情況對通用測試轉臺控制系統的影響，同時提出了模糊自適應PID控制方法[18-20]，以實現轉臺控制系統針對不同負載的自整定，最終實現對控制系統性能的提升。
1 通用測試轉臺系統結構及硬件設計
轉臺是機彈鏈路系統專用測試工裝，用于吊艙、導彈在水平、垂直、滾轉的姿態調整，主要完成3個自由度的測試。由于不同類型導彈的長度、質量及直徑的不同，在進行轉臺硬件設計時，需要考慮其通用性。
通用測試轉臺的升降裝置由多級剪叉式機構構成，利用雙液壓缸進行驅動，升降高度范圍為1.2～3 m，可適應不同類型導彈垂直方向的高度要求。水平裝置由伺服電機、蝸輪蝸桿結構、轉盤軸承構成，通過控制伺服電機接收來自測控系統的指令，帶動蝸輪蝸桿進行工作，蝸輪蝸桿經小齒輪將力矩傳遞至回轉支撐裝置(轉盤軸承)的大齒輪上，回轉支撐在大齒輪的帶動下，驅動水平回轉工作臺進行回轉動作。滾轉裝置由伺服電機和專用齒輪構成，專用齒輪可進行靈活調節以適應不同直徑的導彈進行滾轉。通用測試轉臺系統框圖如圖1所示，3個自由度控制均有手動、自動控制，同時上位機界面可實時監控各軸運行情況以及當前所處位置。
2 轉臺系統軟件設計
依據整個設備控制時的3層結構設計，系統實現時的軟件結構如圖2所示。
由圖2可以看出，整個軟件設計時分四大部分：上層應用軟件、實驗運動驅動、TRIO底層電機驅動、PLC手動控制。其中TRIO底層電機驅動軟件直接與各電機驅動器進行連接，實現電機的直接控制，該部分性能的好壞直接決定了通用測試轉臺的性能。實驗運動驅動部分針對多種類型導彈實際應用需求，開發通用的接口程序。為方便操作人員的使用，轉臺還加入了手動操作功能，實現該操作功能的是PLC手動控制程序。該程序接收來自現場的各按鈕和傳感器信號，并將其通過485通信方式傳遞給TRIO底層電機驅動軟件，底層電機驅動軟件根據收到的相應操作指令，手動操作各電機的運行。在實際測試過程中，直接操作的是上層應用軟件，在該軟件中，通過與專用的DLL程序進行交互，開展相應的實驗工作。DLL庫文件接收上層應用軟件的指令，并實時經網線傳遞給TRIO底層電機驅動軟件，從而完成一個完成的控制流程。實際軟件運行流程如圖3所示。
3 系統建模及控制器設計
3.1 系統搭建
影響通用測試轉臺控制系統的因數有很多，本文著重研究變負載對轉臺控制系統的影響。當負載發生改變時，對轉臺3個自由度運動影響最大的是轉臺的水平回轉運動，所以研究轉臺水平回轉控制系統尤為重要。首先需要對控制系統進行建模分析，以便能夠更加準確深入地了解變負載對水平回轉控制系統的影響。
轉臺水平回轉控制系統對象是電機，其數學模型如圖4所示。
以電樞電壓U(s)為輸入變量，以專用齒輪轉速n2(s)為輸出變量，其傳遞函數為：
由式（4）可知，系統總的轉動慣量對傳遞函數有很大影響。在進行不同類型彈體測試時，彈體質量不同，造成系統慣量不同。針對慣量不斷變化的控制系統，普通PID控制無法實現快速穩定的調節，因此需要一種能夠針對不同慣量實現PID自整定的控制方法。本文提出了一種模糊自適應PID控制，以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規則在線對PID參數進行修正以滿足不同負載下的e和ec對PID參數自整定的需求，從而消除由負載變化所引起的系統振蕩，并提高系統響應速度。
3.2 模糊PID控制策略介紹及控制器設計
模糊PID控制器由兩個部分組成：傳統PID控制器和模糊化模塊。PID模糊控制的首要任務是找出PID的3個參數與位置誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關系，在運行中不斷檢測e和ec，根據確定的模糊控制規則來對3個參數進行在線調整，滿足不同e和ec時對3個參數的不同要求。控制器結構圖如圖5所示。
其控制器表達式為：
4 系統仿真分析
為驗證模糊自適應PID控制可以更好地適應不同負載下控制系統快速穩定的調節，根據前面所建立的系統模型，在MATLAB中構建SIMULINK仿真，圖6為系統仿真模型。圖7為不同負載下傳統PID控制和模糊自適應PID控制的控制效果對比圖。
由圖7可知，在不同負載條件下，兩種控制方式的響應速度不同，傳統PID控制的響應時間總是高于模糊自適應PID控制。在負載為1 t時，傳統PID控制的系統響應時間比模糊自適應PID控制高0.273 s；負載為2 t時，傳統PID控制的系統響應時間比模糊自適應PID控制高多0.284 s；負載為3 t時，傳統PID控制的系統響應時間比模糊自適應PID控制高0.385 s。經分析可知，相對于傳統PID控制，模糊自適應PID控制在變負載情況下可迅速做出調整以適應當前負載，保證系統響盡可能小地受負載的影響。
5 結論
本文所設計的通用測試轉臺可以對多種類型導彈進行測試，有效降低了專用轉臺的研制費用及研制周期，同時提高了測試設備的適應性、靈活性和可拓展性。通過對比傳統PID控制和模糊自適應PID控制可知，在變負載的情況下，模糊自適應PID控制通過檢測到由負載變化所引起的位置誤差及誤差變化率，快速調整系統PID參數，使系統的響應速度盡可能小地受到影響，對被控對象的非線性和時變性具有一定的適應能力，從而保證系統快速穩定地運行。
參考文獻
[1] 王小艷.基于多種總線的測量綜合控制器測試臺的研究與實現[D].太原：中北大學，2009.
[2] 馬敏.并行多任務自動測試系統分層化建模及其關鍵技術研究[D].成都：電子科技大學，2008.
[3] 鄒逢興.計算機硬件技術及應用基礎[M].北京：中國水利水電出版社，2010.
[4] 任工昌，吳夢珂，朱愛斌，等.帶單節拖車的機器人控制系統的設計與實現[J].電子技術應用，2018，44(11)：41-44，49.
[5] 王海涌，張為瑋，王衛.多軸運動控制器在轉臺控制系統中的應用[J].電子技術應用，2010，36(3)：97-99.
[6] 鐘志華.一種通用雷達自動化測試設備的研究及其應用[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011.
[7] 趙輝.基于內模控制原理的PID控制器設計[D].天津：天津大學，2005.
[8] 陸偉男，蔡啟仲，李剛，等.基于四軸飛行器的雙閉環PID控制[J].科學技術與工程，2014，14(33)：127-131.
[9] 管萍，和志偉，戈新生.高超聲速飛行器的神經網絡PID控制[J].航天控制，2018，36(1)：8-13.
[10] 李航，王耀力.四旋翼飛行器中PID控制的優化[J].電子技術應用，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] 佟紹成，王濤，王艷平，等.模糊控制系統的設計及穩定性分析[M].北京：科學出版社，2004.
[13] 張濤.基于模糊PID控制算法的輸彈機優化設計[D].太原：中北大學，2017.
[14] 馬曉爽，石征錦.一種改進Fuzzy-PID技術的飛行器姿態控制系統設計[J].電子技術應用，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，朱龍英，成磊，等.串聯機器人軌跡跟蹤控制模糊自適應PID算法的誤差修正[J].電子技術應用，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，王自強.基于神經網絡的擺動電機的模糊PID控制[J].電子設計工程，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] 冉華軍，李健，牟書丹.基于模糊自適應PID控制的直流電機調速系統[J].通信電源技術，2017，34(1)：23-25.
作者信息：
郭彥青1，段志強1，王 龍2，高宏偉1，李 賽1，林炳乾1
(1.中北大學 機械工程學院，山西 太原030051；2.華北計算機系統工程研究所，北京100083）