1.引言

　　顫振試飛歷來是飛機試飛最后關注的課題，因為它直接影響飛行安全。在顫振試飛實驗中，顫振激勵系統是顫振試飛的重要設備之一。

　　直流伺服系統作為驅動單元，是顫振激勵及分析系統研制中技術難度和風險較大的一環，涉及到同步控制、小型特種永磁無刷直流伺服電機技術等一系列問題。本文以LabVIEW 7軟件為開發平臺，運用LabVIEW 強大的數據采集功能及其PID和Fuzzy logic兩個工具箱為該伺服系統設計一個基于虛擬儀器的控制器，完成雙電機的同步控制。

　　2 基于虛擬儀器同步伺服系統控制器的設計

　　2.1 同步伺服系統的組成



圖1 位置--速度雙閉環直流伺服系統原理框圖

　　整個顫振激勵器的直流伺服系統原理框圖如圖1。該直流伺服系統主要實現雙電機的同步控制，包括實時位置同步、速度同步、差動同步以及速度跟隨等功能，采用雙閉環控制。外環是位置閉環，利用NI公司的數據采集卡PCI6221的計數器與光電編碼器相結合檢測電機轉子的位置，引入位置閉環既可以較方便的采用先進控制算法又可以將位置差通過同步控制算法形成控制信號以確保同步精度；內環是速度閉環，通過Mc33039芯片檢測轉子速度，引入速度閉環來提高直流伺服系統的響應速度，同時可以大大削弱系統參數變化的不利影響，抑制摩擦和間隙等非線性的不良作用，具有較高的抗干擾性能。

　　2.2 控制器的設計

　　2.2.1總體設計

　　控制器作為伺服系統的核心，將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行集中、分析和加工，按照一定的程序給出相應的指令，從而控制整個系統有條不紊地運行，因而無疑對整個系統性能的優劣起著非常重要的作用。

　　PID控制算法是一種工業控制中廣泛應用的控制策略，傳統的PID控制器具有原理簡單，設計簡便，易于調整，穩態性能好等優點，對具有線性、有確定模型的系統易于整定到最佳控制效果。但本文的顫振激勵系統的同步伺服系統是兩臺無刷直流電機，均為PWM調速，速度大小與調速電壓之間的關系顯然是非線性的。為此，首先在不同的調速電壓下做大量的試驗，來測定轉速，然后通過調速電壓、速度數據建立一個基本的數學模型；其次將兩路位置信號的差值形成的控制信號送入控制算法；最后在傳統PID控制器的基礎上應用模糊集合理論，設計一個基于簡單模型的模糊PID控制器，能方便的實現參數的在線自整定，以達到較為理想的控制效果。

　　2.2.2電機的數學模型



　　2.2.3同步算法實現

　　(1)速度電壓關系分段線性化

　　本同步伺服系統甲、乙兩臺電機均為無刷直流電機，設計參數基本一致，電機供電電壓為直流15伏，采用PWM調速方式。在正常供電情況下，PWM端輸入電壓信號大于1.4伏，電機開始轉動，隨著調速電壓信號的加大，電機轉速開始加快，但是很明顯轉速和調速電壓之間不是線性關系。為此首先測定轉速和調速電壓之間的關系，然后將其分段線性化，使電機轉速在較窄的范圍內和調速電壓建立近似線性關系，根據實驗數據對于甲、乙兩組電機分別算出在轉速（r/s）不同的情況，調速電壓（V）與轉速之間的近似線性關系如下：



圖2：電機轉速-調速電壓關系曲線

　　利用這組近似關系，可以確定在固定轉速情況下甲、乙兩臺電機的電壓設定值，然后利用數據采集卡PCI6221的計數器，通過LabVIEW編程采集光電編碼器脈沖個數（電機每轉產生1024個方波脈沖），可以算出此時電機的確切轉速，將此轉速通過上述近似關系式可以求得對應的實際調速電壓值，最后將設定電壓值與實際電壓值之差進行PID調節。由于電機轉速在不同的階段所對應的比例增益系數、積分增益系數不相同，在同一個轉速階段的上升階段與平穩階段所對應的比例增益系數、積分增益系數也不相同。為了達到理想的控制效果，首先利用電機模型及仿真實驗結果，以初步確定比例增益系數、積分增益系數；其次通過實驗對比例增益系數、積分增益不斷進行調整以確定不同階段的相對應的最為合適的比例增益系數、積分增益系數；最后利用模糊集合理論，建立一個模糊規則庫，實現參數的自整定。

　　（2）建立模糊PID控制器



　　在LabVIEW前面板或控制面板的tools菜單下面打開 fuzzy logic controller design子選項就可以方便的設計和修改模糊控制器的隸屬函數、規則庫、推理規則等。設計的結果保存在一個以.fc結尾的文件中，以備在應用程序中調用。Control下面的Fuzzy controller子程序用于在程序中實現模糊控制算法。Control下面的Load fuzzy controller將.fc結尾的文件調入應用程序并將指定文件的PID參數加載到應用程序的模糊控制器中。三者緊密相連環環相扣，能方便直觀的完成模糊控制器的設計、編輯、加載。

　　（3）同步控制

　　雖然已經建立了初步的模型，并采用模糊PID進行調節，但為了進一步提高伺服系統的同步性，將兩者的位置或速度差，乘以適當的系數，形成一個微小值。對速度快者降低電壓設定值，對速度慢者提高電壓設定值，實現對兩臺電機的同步控制。由于在轉速較低的情況下，電機對對電壓信號更為敏感，因而此時系數可以設置的較小，高速時系數可以設置的較大，但兩種情況下均不能設的很大，否則會導致電機不穩定。

　　3.實驗結果

　　本同步伺服系統共完成了速度跟隨、速度同步、位置同步、差動同步四種實驗，其中速度跟隨包括恒速跟隨、線性跟隨、含階躍信號的線性跟隨三種。以下圖3中a、b、c中白色直線表示設定值，紅色●表示甲電機的實驗結果綠色×表示乙電機的實驗結果； d、e中白色直線表示實際差值；f中白色直線表示設定值，紅色●表示實際差值。



　　4．實驗數據處理及分析

（1）對于輸入的數字信號，伺服系統能實現如圖3中a、b、c所示波形的實時速度跟隨。
（2）能夠實現兩臺電機的實時速度同步運行，閉環控制，如圖3中d所示絕對誤差不累積，相對轉速差不累積且可以控制在10r/min以內。
（3）能實現兩臺電機的實時位置同步運行，閉環控制，如圖3中e所示絕對誤差不累積，相對角度差不累積且可以控制在±6°以內。
（4）能夠實現單臺電機預先轉動給定角度后，另一臺電機才開始轉動，然后兩臺電機保持該恒定相位差同步運行，如圖3中f所示，誤差控制在±4°。

　　5.結論

　　利用本文提及的分段線性法、模糊PID控制理論、以及同步控制法相結合設計的控制器可以實現同步伺服系統的控制要求。利用這些方法和理論可以繼續向速度更低或更高的階段發展，因而即便在更寬的速度范圍內也能實現對雙電機的同步控制。另外由于本文中控制器的算法較為復雜、程序量較大且都是在操作系統（準確度只能達到毫秒級）的平臺上運行，僅執行周期就接近10毫秒，因而我們的調節頻率較低為20Hz，如果能設法提高調節頻率，相信控制效果會有更進一步的改善。