引言

飛行器仿真轉(zhuǎn)臺是一種通過伺服控制并且需要高精度控制系統(tǒng)的重要實驗仿真設(shè)備，它可仿真模擬飛機空中飛行狀態(tài)和動作，如：俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航。飛行器仿真轉(zhuǎn)臺實際上是一種將電信號轉(zhuǎn)換到機械運動的設(shè)備。但如何提高飛行器仿真轉(zhuǎn)臺的動態(tài)性能一直是這一領(lǐng)域研究的熱點問。我國對飛行仿真轉(zhuǎn)臺的研究開始于20世紀中期，主要分布于航天、兵器、航空、船舶等相關(guān)領(lǐng)域。在新產(chǎn)品的研制開發(fā)過程中發(fā)揮著重要作用，隨著目前計算機技術(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)臺中實現(xiàn)伺服控制已成為可能。

近幾年以來,國際上對多速率采樣理論的分析研究已經(jīng)取得了很大的進步，并為離散控制系統(tǒng)的前饋控制分析研究開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)實現(xiàn)對指令完全跟蹤的控制方案，此控制方案的核心是將SISO的被控對象通過MIMO的狀態(tài)方程描述出來,從而構(gòu)造出被控對象狀態(tài)的傳遞函數(shù)矩陣來。該方法的提出目前逐漸成為此領(lǐng)域的研究熱點。目前國際上對該方案在單相逆變器、基于視覺的伺服控制、永磁同步電機諧波電流抑制、交流伺服等相關(guān)領(lǐng)域的研究上取得了很大進步，而我國對該方案的研究才剛剛起步。

轉(zhuǎn)臺作為飛行仿真器和導(dǎo)航測試主要組成部分，為使飛行仿真器具有更高的精度，提高轉(zhuǎn)臺的精度是必不可少。但目前對飛行器轉(zhuǎn)臺的研究還存在很多的制約因素，如：無法準確確定被控對象、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象的不確定性。由于在實際應(yīng)用是系統(tǒng)比較復(fù)雜，又無法建立比較完善的建模理論，因此，無法精確的建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。在對控制系統(tǒng)進行建模時，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，往往使得被控對象與所建立的數(shù)學(xué)模型間存在差異。目前，隨著自動化控制技術(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)臺的精度和響應(yīng)頻率等技術(shù)參數(shù)的要求也越來越高，給轉(zhuǎn)臺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)臺控制系統(tǒng)介紹

飛行仿真轉(zhuǎn)臺主要由外框、中框和內(nèi)框三部分組成，如圖1所示為某型號的三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺示意圖，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進行驅(qū)動可進行連續(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)飛機的飛行姿態(tài)和角運動，其傳感器和控制器的I/O信號通過導(dǎo)電環(huán)從底座引出，從而將各種姿態(tài)采集到的信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)臺的機械轉(zhuǎn)動。外中內(nèi)三框分別表示的物理意義為：外框表示飛機偏離航線、中框表示飛機俯仰、內(nèi)框表示飛機滾轉(zhuǎn)，三個框同時進行動作就可仿真出飛行在三維空間的真實姿態(tài)。

圖1某型號的三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺示意圖

本系統(tǒng)的驅(qū)動部分主要是外框、中框和內(nèi)框分別采用伺服電機進行驅(qū)動，伺服電機都由各自的伺服控制器進行電機動作的控制。三框還分別安裝了一個感應(yīng)同步器和一個測速機，用以監(jiān)測仿真轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角位置和角速度。

轉(zhuǎn)臺的內(nèi)中外三個框架在控制上是相互獨立的，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和下位機相結(jié)合的控制方式。采用一臺計算機作為上位機，實時對伺服控制系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理。下位機則用于對三個通道的執(zhí)行機構(gòu)進行直接控制。因為每個通道控制回路的物理結(jié)構(gòu)是相同的，所以三個通道之間的控制關(guān)系為并行關(guān)系。

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

上位機的操作面板用于設(shè)置系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并且將工作狀態(tài)的相關(guān)信息在上位機進行顯示。上位機在將設(shè)置的指令傳送給下位機，上位機與下位機之間采用總線方式進行數(shù)據(jù)交換。下位機可將實時根據(jù)采集到的反饋信號，依據(jù)編寫的控制程序算法，換算出輸出量，然后通過數(shù)字量/模擬量輸出，經(jīng)控制器控制電機，從而實現(xiàn)飛行器轉(zhuǎn)臺的實時控制。

2、轉(zhuǎn)臺數(shù)學(xué)模型建立

因為轉(zhuǎn)臺的內(nèi)中外三個框架在控制方式上是相互獨立的，因此可分別對單個框架進行控制系統(tǒng)的設(shè)計[6]。以下所建立的飛行器仿真轉(zhuǎn)臺的數(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)具有良好的動態(tài)性能和對外界擾動的調(diào)節(jié)能力，依次采用了設(shè)計位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)對輸出進行控制。

3.1電流環(huán)設(shè)計

采用電流環(huán)負反饋可允許電機具有過載能力，也可限制最大電流值，從而對電機得快速起動或制動起到保護作用。

3.2速度環(huán)設(shè)計

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

3,3位置環(huán)設(shè)計

圖3飛行器仿真轉(zhuǎn)臺控制系統(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、力矩電機和測速機等組成。因位置環(huán)控制器為數(shù)字式控制器，因此可通過計算機來實現(xiàn)。當控制系統(tǒng)在進行速度跟蹤控制時，只有精確的位置信號，但沒有準確的測速元件，因此只能通過位置信號差分的方法來得到速度信號，然后再進行位置閉環(huán)控制，通過位置環(huán)的精度來控制速度環(huán)的精度。

4、控制系統(tǒng)仿真

本控制系統(tǒng)是針對三軸飛行器仿真轉(zhuǎn)臺進行設(shè)計的，其中內(nèi)框采用PID方式進行控制。為了是控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)精度，對輸入信號進行微分補償，從而構(gòu)成了對PID進行前饋復(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)臺伺服系統(tǒng)仿真圖。

圖4飛行器仿真轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)仿真圖

本控制系統(tǒng)中設(shè)定定時中斷為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，輸入信號頻率為1.5Hz正弦信號，設(shè)定輸入位置指令為1o、輸入信號頻率為2Hz正弦信號，通過運行仿真軟件可以得到如圖5所示的輸入信號與轉(zhuǎn)動角度的仿真效果（圖中X軸單位為o，Y軸單位為s）。

圖5飛行器模擬轉(zhuǎn)臺PID前饋復(fù)合控制仿真圖

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

5、結(jié)論

本文對飛行器仿真轉(zhuǎn)臺的總體控制方案進行介紹，并搭建了單框轉(zhuǎn)臺的數(shù)學(xué)模型，對轉(zhuǎn)臺的控制器進行了設(shè)計方法的介紹，并對控制方案的穩(wěn)定性和精度問題進行了分析。通過MATLAB仿真平臺搭建了控制系統(tǒng)的仿真模型，采用算例模擬仿真輸入信號，為仿真模型發(fā)送固定頻率信號和位置指令，并對仿真結(jié)果進行了分析。通過實驗結(jié)果證明了該控制方案的有效性。