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离心机的自适应鲁棒控制系统
发布时间 2007/6/22 点击 1904 次
[摘要] 为了改善离心机的控制性能和稳定性,进行了离心机的自适应鲁棒控制系统研究;基于电动机与离心机相连的结构,设计了控制器以期得到满意的控制性能;首先提出了一种基于自适应鲁棒控制器的离心机控制系统,针对离心机模型设计了自适应鲁棒控制算法;试验结果证明了该控制算法的有效性;在环境条件不同的情况下,离心机控制系统仍表现了满意的控制性能。
[关键词] 离心机;自适应控制;鲁棒控制
1 引言
随着航空航天工业的发展,离心机的用途越来越广泛。离心机系统可以通过高速旋转产生几十倍重力加速度的超重环境,可在地面模拟训练航天员和飞行员的身体承受能力,检验仪器设备的性能指标。早期的离心机控制系统由模拟分立元件组成,性能已不能满足如今新一代航空航天飞行器的要求。目前国内外有关离心机方面的研究报道并不多[1,2],文献[2]的离心机控制系统虽然是全数字式的,但控制算法采用的仍是经典的PID控制,设计中往往回避了系统中参数不确定性变化和外界环境带来的干扰力矩的影响因素,因而对系统参数不确定性变化与高速运行中的振动、摇摆、负载变化和空间气流等带来的干扰力矩没有好的抑制作用。离心机控制系统所担负的是对时效性要求较高的任务,它需要在高速旋转时能准确跟踪各种不同类型变化的加速度曲线,以便获得期望的超重环境。离心机在高速运动过程中的环境条件不确定性变化使得系统具有时变非线性和不确定性,容易受到外界干扰因素影响,例如振动摇摆、负载变化和高速旋转时空间气动力学的干扰力矩变得很大,如何提高离心机系统的鲁棒自适应性,成为离心机控制工程的一个重要研究课题。
笔者在离心机系统模型的基础上,设计了一种基于自适应鲁棒控制的离心机控制系统,它对离心机系统和电机具体参数的不确定性非线性变化与外界各种振动摇摆以及空间气动力学的干扰力矩的敏感性较低,可以补偿非线性不确定变化量及干扰力矩的影响,改善系统的响应特性,提高系统自适应能力,因此具有较好的鲁棒性。笔者提出的控制算法在离心机系统平台上进行试验,用试验结果验证了这种方法的有效性。尽管高速旋转时外界各种环境状况和吊舱负载的变化不同,对系统的影响很大,但离心机控制系统仍表现出满意的控制性能。
2 离心机控制系统
离心机控制系统如图1所示,由主控台、拖动台、生理监测台、可控硅功率放大器、直流电动机、减速器转台、臂架和吊舱等组成。系统工作时,直流电机带动大臂架和吊舱高速旋转,产生几十倍重力加速度的超重环境。加速度变化规律可归纳为几十条典型曲线。每一条曲线又有数值不等的变化上升率,如角速度梯形曲线上升率从0 001rad s2到1rad s2,因此曲线变化范围大。控制系统的任务就是控制吊舱旋转产生的加速度变化曲线尽可能与给定的加速度命令曲线相一致。离心机控制系统结构采用层次结构,分为三层:最顶层为监测管理级,中间层为控制级,最低层为伺服级。
1)监测管理级 由主控计算机、故障计算机、生理监测计算机组成。各计算机以ARCnet方式构成局域网,完成彼此信息数据交换。主控计算机完成管理监测、发布命令、编辑计算加速度命令曲线并转化成角速度命令曲线。故障计算机监控各类关键参数,如加速度、角速度、压力、温度、噪声、大厅门关好信号、吊舱门关好信号等,有问题用声、光、电方式报警,并存储相关数据信息。生理监测计算机监控舱内人员各种生理参数,如呼吸、脑电波、心电波等,并采集存储,有异常即报警停车。
2)控制级 由拖动计算机组成,完成将上级传来的命令值与用传感器测量的离心机实际旋转角速度和角加速度值进行比较得到误差,计算机对此误差用自适应鲁棒控制算法处理,得到控制信号Ua(t)后经可控硅功率放大控制伺服系统驱动电动机,转动大臂架和吊舱准确按照期望的角速度曲线变化。
3)伺服级 由540kW的Z4-355-42型直流电机、减速器、光电码盘、加速度传感器、转台、汇电环、臂架、吊舱等组成。为了保证舱内人员安全和万无一失,离心机控制系统具有超速保护和过失保护功能[2]。
[来源:来宝网]
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