基于LabWindows／CVI的舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計

　　從控制軟件的流程圖可以看出，在上位機(jī)軟件運(yùn)行過程中采用了多線程技術(shù)。這種設(shè)計可以更加有效的利用CPU的性能。由于多線程間方便的通訊機(jī)制，幾個線程可以共享數(shù)據(jù)空間，大大減少了啟動線程所需的空間和線程間彼此切換的時間，使應(yīng)用更加快捷與方便。同時，多線程技術(shù)的采用，也使得程序的邏輯與控制方式更加簡單，便于理解與修改。在測控軟件設(shè)計與應(yīng)用過程中，對數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性要求很高，這需要系統(tǒng)有較高的采樣頻率，使用高精度的定時器是滿足系統(tǒng)需求的關(guān)鍵。在本文的舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)中，使用了多媒體定時器對控制進(jìn)程進(jìn)行管理，其精度很高，最小誤差約為1 ms，且多媒體定時器的優(yōu)先級較高，可以減輕資源緊張時對定時器運(yùn)行的影響。

　　3系統(tǒng)控制策略

　　在舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的控制過程中，最大的難點(diǎn)在于對系統(tǒng)運(yùn)行時產(chǎn)生的多余力進(jìn)行抑制與消減。

　　多余力是由承載系統(tǒng)(舵機(jī))的主動運(yùn)動造成的。承載系統(tǒng)的主動運(yùn)動，會拖動加載系統(tǒng)(負(fù)載模擬器)與其一起運(yùn)動，在加載作動筒兩腔產(chǎn)生強(qiáng)迫流量，引起多余力。多余力的大小與運(yùn)動的速度和加速度密切相關(guān)。同時，多余力具有微分特性，不僅超前于加載力，并且會隨著承載系統(tǒng)運(yùn)動頻率的增加而迅速增大。為此，在控制系統(tǒng)設(shè)計時，必須采用合理方法，將多余力抑制并消減到一定的范圍內(nèi)。

　　為了對負(fù)載模擬過程中出現(xiàn)的多余力進(jìn)行抑制，很多學(xué)者做出了研究。楊剛等采用模糊自適應(yīng)控制策略，能較好的消除多余力，但模糊控制器的建立過程太復(fù)雜且可移植性差，石旭東等采用CMAC與PID并行控制方法，自適應(yīng)能力較強(qiáng)，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程具有較大的不確定性。羅璟等引入H∞控制方法，但這種方法需要建立系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型。

　　結(jié)合工程實(shí)際情況，分析項(xiàng)目中舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的特點(diǎn)，在對舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)進(jìn)行控制時，系統(tǒng)的運(yùn)動譜(舵機(jī)運(yùn)動規(guī)律)和載荷譜(負(fù)載模擬器運(yùn)動規(guī)律)都是已知的。所以可以根據(jù)結(jié)構(gòu)不變性原理，在計算要輸出的控制信號時，預(yù)先施加一個適當(dāng)?shù)那梆佈a(bǔ)償，以達(dá)到減少外部擾動的目的。

　　舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)如圖4所示，其中d為干擾輸入。根據(jù)結(jié)構(gòu)不變性原理，為了消除干擾d對系統(tǒng)的影響，理論上需要滿足條件Gf(s)G1(s)+G3(s)=0，即需設(shè)計一個前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)Gf(s)=-G3(s)/G1(s)。

　　圖4 前饋補(bǔ)償原理

　　在設(shè)計前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)時，以加載輸出端的位移做為前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸入信號。這樣選擇有兩個突出優(yōu)點(diǎn)。一是采用加載輸出端的位移做補(bǔ)償輸入時，消除了連接機(jī)構(gòu)的彈性形變以及慣性負(fù)載引起的滯后與衰減作用的影響，簡化了負(fù)載模擬系統(tǒng)的動態(tài)特性，使補(bǔ)償后的系統(tǒng)被簡化成一個二階環(huán)節(jié)，有助于提高負(fù)載模擬系統(tǒng)的閉環(huán)動態(tài)性能。二是當(dāng)采用加載輸出端位移為補(bǔ)償輸出時，負(fù)載模擬系統(tǒng)控制器中的所有傳感器檢測信號與執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號均在加載系統(tǒng)一側(cè)，在結(jié)構(gòu)上保持了負(fù)載模擬系統(tǒng)的獨(dú)立性。

　　4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果

　　根據(jù)上述各部分的分析與設(shè)計，完成了舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的硬件平臺搭建和軟件程序的編寫與調(diào)試。經(jīng)過一定的調(diào)試，達(dá)到了理想的控制效果。試驗(yàn)設(shè)備在相應(yīng)載荷指令下的響應(yīng)如圖5所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際響應(yīng)對指令的動態(tài)跟蹤效果很好，滿足了系統(tǒng)的要求。

　　圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

　　5結(jié)論

　　本文基于LabWindows/CVI開發(fā)環(huán)境，對舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計。經(jīng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能對舵機(jī)載荷進(jìn)行實(shí)時、準(zhǔn)確的模擬，具有很好的控制效果，充分滿足了試驗(yàn)要求。同時，本文提及的舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計方法，對同類的電液負(fù)載模擬器的設(shè)計也具有一定的借鑒與參考價值。