风扰模拟力加载器控制系统设计

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风扰模拟力加载器控制系统设计

作者：任雅广王校锋姚跃亭

来源：《计算技术与自动化》2013年第03期

作者简介：任雅广（1969—），男，江苏沭阳人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：船舶机电管理及控制；王校锋（1979—），男，浙江绍兴人，工程师，硕士研究生，研究方向：船舶机电管理及控制（E-mail：yyt_hehe169@https://www.wendangku.net/doc/4511161153.html,）。

摘要：针对用于风扰模拟的力加载器系统，设计以DSP为核心的数字控制器。在传统的位置伺服控制的基础上，设计力反馈控制回路，同时使用前馈补偿抑制由于承载对象运动而导致的多余力。使用粒子群算法进行控制器参数整定。试验结果表明，该力加载器能够进行有效地进行各种类型的风扰模拟，具有较高的控制精度和响应速度，能够良好的克服多余力干扰。

关键词：力加载；风扰模拟；PID控制；粒子群算法

中图分类号：TP273 文献标识码：A

1引言地面半实物仿真是控制系统研制过程中的重要步骤，是验证控制系统性能和关键环节。力加载器是一种在实验室环境下模拟被控系统的负荷或扰动的物理效应设备。在飞行器研制过程中，为了在地面上模拟飞行器实际飞行时的舵面铰链力矩，通常设计力矩模拟器[1-5]。另外在风力发电、舰载设备等室外装置的研制中，为了模拟自然界的风扰动，也需要研制设计能够模拟自然界风扰的力加载系统[6，7]。

力矩加载器和力加载器都数据负载模拟器的范畴。常见的负载模拟器有电液负载模拟器、电动负载模拟器、气动负载模拟器等类型。其中电动负载模拟器具有体积小、成本低、结构简单等优点，而被广泛研究使用。

承载对象的运动对于力加载器而言，是一种严重的外部干扰，会产生的多余的控制力，因此多余力抑制问题一直是力加载器研制中的难点[8，9]。本文针对一款电动力加载器进行了控制系统设计，包括控制系统的硬件组成，控制策略和控制律设计，以及多余力消除方法和控制参数优化等问题的研究。

2力加载器系统构成

力加载器由电动作动装置和控制系统组成。电动作动装置由电机、减速箱、齿轮传动付、滚珠丝杆、直线电位器和推拉力传感器等六部分构成，其结构如图1所示。电机产生拖动动力，采用减速齿轮和滚珠丝杆转换成线性位移，可实现输出杆的直线运动，通过球形轴头与被加载体连接，加载力沿丝杆轴线输出。电动作动装置以硬铝材料为外壳，在保证足够的强度和刚度的同时，具有较轻的重量。整个装置采用二点装夹方式固定在基座上，具有良好的稳定性。