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1、采用运动控制卡的推力校测加载控制系统设计摘 要发动机推力是必须严格考核的重要性能指标，需要准确测量。在发动机试验的推力测量之前，对测量系统进行标定和校核是一项不可缺少的重要工作，它直接影响着测量数据的准确性与测量工作过程的可靠性。本文介绍了一种新型的采用步进电机作为推力加载执行部件的发动机测试台推力自动校验装置，阐述了该系统的结构、工作原理和软硬件设计方法。新研制的推力校准装置克服了传统液压加载校准装置的缺点，具有体积小、结构简单、成本低、维护方便等优点。为了进一步提高加载的精度和系统的稳定性，系统采用了一种较先进的控制方式变论域自适应模糊控制，并对其进行了改进。软件采用LabWindows/
2、CVI进行编程，LabWindows/CVI是美国国家仪器公司推出的交互式C语言开发平台，功能强大，使用灵活。按照结构化的设计原理，程序实现了加载力值的快速、精确、稳定控制和实时显示以及整个加载过程的手动和自动控制。系统的测试情况表明，新型的推力校准装置加载精度高，加载速度和稳定性有了很大的改善，完全可以满足实际应用的需求。关键词: 发动机推力；校准装置；步进电机；LabWindows/CVIAbstractEngine thrust is the important performance index that must be examined strictly, and it need t
3、o be measured precisely. Before measuring thrust in the engine test, the calibrating to the testing system is an indispensable important job, because it directly affects the accuracy of testing data and the dependability of measuring the working course.This paper introduces a novel and automatic thr
4、ust calibration device which adopts step motor as loading actuator on engine test bench.The structure,the operating principle,the design of software and hardware are presented. The new preparing thrust calibrating device avoids the disadvantages of hydraulic loading system, it has many advantages su
5、ch as small bulk, sample structure, low coat and convenient maintenance and using.For further improving the accuracy of calibrating and the dependability fo the system,an advanced control method-variable universe fuzzy control-has been adopted,it also has been modified.The software is programmed by
6、LabWindows/CVI, LabWindows/CVI is an interactive C language development platform introduced by National Instruments. In accordance with the principles of structured design,the programme can realize quick，precise，stable control and real-time display to loading value. The performance of the new calibr
7、ating device in a test showed that loading rapidness, precision and stability in this system are improved greatly, and the performance requirements are satisfied well.Keywords: engine thrust，calibrating device，step motor，LabWindows/CVI目 录摘要IAbstractII第1章 绪论1 1.1 课题来源及研究的目的和意义1 1.2 国内外加载系统的研究现状概述11.2
8、.1 机械砝码式推力加载系统11.2.2 电液式推力加载系统21.2.3 采用步进电机的推力加载系统21.2.4 采用伺服电机的推力加载系统31.3 课题的主要研究内容4第2章 推力加载系统总体结构设计52.1 系统技术要求52.2 系统总体结构52.3 系统各部件的选取72.3.1 驱动电机的选取72.3.2 驱动器92.3.3 推力传感器的选择112.4 本章小结11第3章 推力加载系统控制策略123.1 常用控制方式介绍123.1.1 PID控制123.1.2 模糊控制133.2 变论域自适应模糊控制143.2.1 变论域思想的提出143.2.2 变论域自适应模糊控制器153.3 变论域
9、自适应模糊控制的改进163.3.1 伸缩因子的量化分级163.3.2 改进型变论域自适应模糊控制器163.4 推力加载系统的控制策略选择183.5本章小结18第4章 NI运动控制卡和LabWindows/CVI204.1 NI运动控制卡204.1.1 硬件结构204.1.2 嵌入式实时操作系统214.1.3 轨迹发生器214.1.4 信号连接器214.2 LabWindows/CVI软件244.2.1 LabWindows/CVI的开发环境244.2.2 LabWindows/CVI应用程序设计步骤254.2.3 LabWindows/CVI基本库函数254.3 本章小结27第5章 基于Lab
10、Windows/CVI的系统软件设计285.1 软件要完成的主要功能285.2 模糊控制策略在加载系统中的实现285.3 基于LabWindows/CVI的软件设计295.3.1 加载系统软件程序结构设计295.3.2 加载系统软件设计305.4 实验数据及结果355.5 本章小结37结论38参考文献39致谢40第1章 绪论1.1 课题来源及研究的目的和意义发动机推力是必须严格考核的重要性能指标，需要准确测量。台架系统精度的确定及系统误差的消除工作主要由原位校准装置完成。原位校准是对测量系统在现场进行模拟实际工况下的静态标定和校核的方法。在发动机试车台上进行地面台架试车时，采用工作传感器进行测
11、量。在发动机试验的推力测量之前，对测量系统进行标定和校核是一项不可缺少的重要工作，它直接影响着测量数据的准确性与测量工作过程的可靠性。由于工作环境恶劣，为保证要求的测量精度必须定期校准(标定)。推力测量台架的系统精度的确定及系统误差的消除工作主要由加载校准装置完成。加载校准装置的加载精度、加载稳定性、操作便利性会对试验测试精度、试验结果的可靠性、试验结果分析及提高试验效率产生重要影响。在国防、航空航天领域以及其他方面的科学研究和工业生产中，推力加载测试系统都有着非常广泛的应用。因此，对采用伺服电动机的加载系统的控制问题进行研究，取得一些有实用价值的理论分析和实验研究成果，无疑具有十分重要的价值
12、和意义。1.2 国内外加载系统的研究现状概述1.2.1 机械砝码式推力加载系统机械砝码式推力校准装置是由砝码和杠杆组成。砝码重力通过杠杆放大后给工作传感器施加压力，用砝码对工作推力表进行校准，校准只能在几个固定点上进行。其加载方式是人工或机械来增添或减少标准砝码，加载时容易造成加载砝码的摆动，而造成传感器输出力值的振荡。因为未考虑发动机试车台架的影响，校准精度不高，需人力加、卸沉重的砝码，校准费力费时，使用很不方便，当测试台架测试范围较大时，此种加载方式就不再适用。这种加载方式多在实验室进行测力范围很小的微小型测力机构校测或高精度小量程测力传感器校验中采用，在推力测量装置校验的实际工程中已基本
13、不采用。1.2.2 电液式推力加载系统电液式推力校准装置由液压源、液压缸、标准传感器及其显示仪表标准推力表、发动机试车台台架组成。液压缸的工作压力P可用调压电位器进行无级调节。液压缸同时给标准传感器和工作传感器施加压力，用标准推力表对工作推力表进行校准，它可在推力测量范围内完成对任意需要点的校准1。图1-1表示该液压式推力校准装置的原理图。其工作原理是靠液压泵驱动液压缸的活塞左右位移来实现双向加载，工作压力可以通过输出泵、蓄能器、比例阀和流量阀用调压电位器进行无级调节，可对任意点校准，可手动和自动。1 液压站 2 比例阀 3 调压电位器4 换向阀 5 液压缸 6 推力传感器图1-1 电液式推力
14、加载系统原理图这种推力校准装置具有如下特点：采用标准推力表和工作压力P无级调节的液压加载系统代替了目前广泛使用的人工操作的砝码杠杆系统，大大减轻了劳动强度，提高了推力测量精度。但也存在一些问题：受气体可压缩性的影响，加载滞后，精确加载困难；液压油路易产生液压油渗漏现象，造成加载数值不稳定；由于加载过程为人工操作控制，易产生人为误差，产生粗大点；由于加载油缸与执行油缸距离较远，加载滞后，且在校准过程中不易实现过载保护，容易造成传感器的损坏。1.2.3 采用步进电机的推力加载系统由哈尔滨工业大学和航天科工集团31所等单位研制成功了采用步进电机的推力模拟器，其工作原理如图1-2所示，是通过数控向电机
15、输入脉冲信号使它旋转一定的角度，再经过减速机构带动丝杠旋转并产生微量的位移，从而压缩弹簧及传感器，当传感器上感受到的负载与设定负载一致时，立即停止转动，丝杠螺母自锁，加载完成。步进电机加载与砝码和液压加载不同的是，其本身并不能精确控制施加力值，而是通过精确的位移控制来分解传感器的总变形量，从而达到精确施加载荷的目的。这种推力模拟器的主要功能有：电机伺服控制；参数设定；清零；动态检测；正向过载保护；反向移动位置限制等调校功能。1 控制器 2 步进电机 3 减速器4 轴承 5 丝杠 6 推力传感器图1-2 步进电机推力加载系统原理图1.2.4 采用伺服电机的推力加载系统吉林大学奥德赛研究室研制成功
16、了伺服电机驱动的液压加载装置如图1-3所示，该成果已在各种固体火箭发动机试验系统中应用。其特点是可手动、半自动和自动加载、数据采集和处理、实时动画显示、网络传输，可打印或存盘，采用压电陶瓷力传感器，其伺服电机既可直接驱动滚珠丝杠机械加载，又可驱动液压加载，前者适合050吨负荷的发动机，后者可达500吨。1 控制器 2 伺服电机 3 减速器4 柱塞式增压缸 5 液压缸 6 推力传感器图1-3 伺服电机推力加载系统原理图1.3 课题的主要研究内容本课题旨在从理论和实际应用上研究发动机推力加载的控制问题，从而实现高精度、稳定性好的推力加载校测系统，并使整个系统具备良好的适应性。为此本课题完成了发动机
17、推力电动加载系统的总体设计，重点研究了加载的控制，从而保证实际的推力能够满足给定的技术要求。课题的研究内容主要集中在以下几个方面：(1) 完成系统的总体结构设计：包括各个部件如电动机及其驱动器、传感器等关键部件的选择，使选取的各个部件的指标能够满足系统的要求。(2) 控制理论的研究：分析研究可用于加载系统的控制方式、相关控制理论和基于这些理论设计的控制器，根据需求选择一种并对其进行适当改进使其更适合本加载系统。(3) 分析加载过程，具体实现加载控制：分析加载系统控制中的主要难点问题，选择相应的算法，不断补充和完善加载控制程序，最终使加载推力满足一定的精度和技术性要求。(4) 系统软件的设计：发
18、动机推力加载校测系统具体实现加载校准的各项功能，软件程序的结构设计应层次清晰，具备良好的可靠性和可维护性，界面友好，安全可靠，功能设置尽量满足用户要求，且方便高效。第2章 推力加载系统总体结构设计本章主要介绍加载系统的总体结构，各组成部件的主要功能，以及系统各元件的选择和主要特性。2.1 系统技术要求系统各项技术要求如下：(1) 功耗：小于300W。(2) 环境温度：。(3) 加载范围：045kN。(4) 加载精度：10N。(5) 稳定时间：1min以上。(6) 不确定度：0.5%以内。(7) 校准完成时间：小于30分钟。2.2 系统总体结构加载系统主要由工控机、步进电机、电机驱动器、减速机构
19、、丝杠螺母副、传感器及运动控制卡构成。系统功能示意图如图2-1所示。图2-1 系统功能示意图各部分的主要功能如下：(1) 工控机：整个加载系统的控制中心，结合用户的实际给定，通过控制程序计算出驱动信号并发送到电机驱动器，并完成图形显示、存储、打印测量信息等功能。(2) 驱动器：接受工控机发送的给定信号，驱动步进电动机。(3) 步进电动机：加载系统的执行元件，由它提供加载转矩。(4) 推力传感器：由推力传感器直接测量出加载的实际推力值，提供给工控机作为测量信号，同时在工控机上进行图形显示和存储。系统总体结构图如图2-2所示。工控机与运动控制卡采用PCI总线连接方式；工控机与VXI机箱采用1394
20、总线通讯方式；运动控制卡向步进电机驱动器发出脉冲指令和方向信号。图2-2 系统总体结构图发动机试车台架的结构图如图2-3所示，主要由动架、定架及连接用的弹簧板簧组成，推力加载机构固定于定架上。原位校准时，加载机构产生模拟推力带动动架移动，压缩弹性组件和标准传感器产生微小位移，由标准传感器测得推力值。动架的移动也使工作传感器受到相应的载荷，两者的差值可看做主要的系统误差。校准时，加载机构在正反行程上产生可逐级增减变化的模拟推力作用于标准传感器，通过将标准传感器的输出电压值与工作传感器对比，得到系统的校准曲线。通过对曲线的分析和处理可以确定系统的综合不确定度，用于消除系统误差2。实际发动机测试时，
21、标准传感器脱开，工作传感器的输出量通过校准曲线得到对于标准传感器的实际测量值。加载机构采用步进电机丝杠螺母副的机械传动方式，步进电机带动传动丝杠旋转，使螺母轴向上产生微量位移压缩弹簧，通过控制微小位移量实现精确加载3。1 模拟发动机 2 标准传感器I 3 推力加载机构I4 标准传感器II 5 推力加载机构II 6 工作传感器图2-3 发动机测试台架结构示意图2.3 系统各部件的选取加载系统中各部件的正确选取，是进行加载控制的前提和保证。不但要使各部件的参数和特性能够达到加载的基本要求，还要尽量减小由组成元件所带来的各种干扰因素对加载转矩控制的影响，尽可能降低控制的复杂程度，同时还要使整套系统具
22、备良好的稳定性、可操作性和可维护性并尽量降低系统成本。2.3.1 驱动电机的选取本系统的驱动电机有两种选择：步进电机或者交流伺服电机。由于两种驱动电机的价格差距明显，在本文设计的加载系统中，重点要求的是精确定位功能，而对于其它方面的要求较低，通过计算分析，步进电机的位置控制精度完全能够满足系统设计需要。因此，在本系统的设计中选用步进电动机作为执行元件。2.3.1.1 步进电动机概述步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，就传统的步进电动机来说，步进电动机可以简单地定义为，根据输入的脉冲信息，每改变一次励磁状态就前进一定角度（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进
23、电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机。步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，它是较早实用的典型的机电一体化元件组件。步进电动机本体、步进电动机驱动器和控制器构成步进电动机系统不可分割的三大部分4。其系统框图如图2-4所示。图2-4 步进电动机系统框图2.3.1.2 步进电动机工作特点采用步进电动机作为加载执行元件，加载电动机应具有如下工作特点：(1) 易于启动、停止、正反转及变速，响应性好。(2) 停止时具有自锁能力。(3) 位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统。(4) 在正常加载范围内，加载电机的转速、转角及其变化受
24、加载系统控制。2.3.1.3 步进电动机本课题加载系统要求的推力输出精度小于0.5N，推力输出精度为步进电机旋转一个步距角时，由于螺母轴向微小移动压缩弹簧变形，向传感器施加压力的增加值。其中丝杠螺母副选择的是T形螺纹，螺距为Tr 303；弹簧采用的是碟形弹簧，其刚度为K=600N/mm。步进电动机通过的减速器的减速比为。因此，步进电动机的步距角最大值为显然，这个步距角是非常大的，而实际的步进电动机的步距角一般都在以下，当然都能满足校准精度的要求。考虑到实际系统可能存在的误差，以及步进电动机本身的失步和共振带来的影响，步距角的选择是越小越好，最后我们确定采用的步距角为，以这个步距角计算出来的推力
25、输出精度为（校准精度）实际型号采用德国百格拉公司三相混合式步进电动机，选择VRDM366/LHA型号，其具体参数如下：(1) 额定扭矩 ；(2) 保持扭矩 ；(3) 最高启动速度 ；(4) 相电压 ；(5) 相电流 ；(6) 转动惯量 ；由上面计算出来的推力输出精度为0.045N，完全满足校准精度，而且留有相当大的余量。2.3.2 驱动器2.3.2.1 驱动器概述步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备，即步进电动机驱动器。步进电动机驱动器的主要构成如图2-5所示，一般有环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还要有许多保护线路。环形分配
26、器用来接收来自控制器的CP脉冲，并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个CP脉冲，环形分配器的输出转换一次。同时，环形分配器还必须接收控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序或者按反序转换，于是决定了步进电动机的转向。图2-5 步进电动机驱动器构成2.3.2.2 驱动器的特点步进电动机驱动与一般电子设备的驱动有不同的特点，主要体现在：(1)各相绕组都是开关工作。多数电动机绕组都是连续的交流或直流，而步进电动机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是断续的。例如，三相反应式步进电动机在三相六拍状态工作时，各相施加电压的波形如图2-6所示。(2)
27、电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电时电流上升率受到限制，因此影响电动机绕组电流的大小。(3)绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。绕组导通和截止过程中都将产生较大的反电势，而截止时的反电势将对驱动级器件的安全产生十分有害的影响。(4)电动机运转时在各相绕组中将产生旋转电势，这些电势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电动机输出转矩也随着转速升高而下降。图2-6 VR三相电动机三相六拍
28、工作时各相绕组电压波形 (5)电动机绕组中有电感电势、互感电势、旋转电势。这些电势与外加电压共同作用于功率器件。当其叠加结果使电动机绕组两端电压大大超过电源电压时，使驱动级工作条件更为恶化。2.3.2.3 电机驱动器选用德国百格拉公司的三相混合式步进电动机驱动器，型号为D921，它采用交流伺服原理工作，主要驱动百格拉公司生产的0.45、0.9、1.5、1.7和3.7的步进电机，该驱动器及配套的步进电机是为了满足用户低压安全要求（24VDC）而特殊开发生产的驱动系统。输出扭矩仅与电机的转速有关，而与电机每转步数无关。优点是低速运行平稳、无共振区、无爬行、噪音小、高速扭矩大，在每转100000步能
29、够精确定位。2.3.3 推力传感器的选择加载系统是对力值进行控制，因此需要采集实际力值作为反馈量，同时还要在工控机上显示，这就要求配置能够检测加载力值的传感器。实际采用梅特勒-托利多TSB-5传感器。TSB-5额定容量5t，灵敏度 20.002mV/V，不重复性 0.01%R.O.， 滞后 0.02% R.O.， 非线性 0.02% R.O.，符合要求。2.4 本章小结本章主要介绍了加载系统的总体结构，组成系统的各个部件所完成的功能和选择的标准，以及根据标准所选部件的具体型号。根据加载系统的指标要求，实际选择的各部件的特性，完全能满足加载指标的需要。这些都为了加载系统控制的进行提供了一个良好的
30、前提和基础。第3章 推力加载系统控制策略本章主要对推力加载系统的控制策略进行介绍，包括两种常用的控制方式，即PID控制方式和模糊控制方式，重点介绍变论域自适应模糊控制，并对其进行了改进，使其更加适用于本系统。3.1 常用控制方式介绍3.1.1 PID控制当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简
31、单易懂，使用中不需精确地系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。典型PID控制器的传递函数为： (3-1)其中，为需要整定的三个参数。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。现在一
32、般采用的是临界比例法。 PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除静差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或者容量滞后较大、控制要求较高的场合。但是对于非线性、大惯性及对鲁棒性和自适应性以及超调有要求的复杂系统，PID控制往往不能满足设计要求，因此，PID控制多用于一些系统非线性度较低的场合。3.1.2 模糊控制模糊控制是基于模糊逻辑描述的一个过程的控制算法。1965年，加州大学伯克利分校的计算机专家Lofty Zadeh提出“模糊逻辑”的概念。1974年，英国的Mamdani首先用模糊控制语句组成模糊控制器，将其应用在锅炉和蒸汽机的研
33、制中并获得了成功。 模糊控制与一般的自动控制的根本区别是，不需要建立精确的数学模型，而是运用模糊理论将人的经验知识、思维推理、控制过程的方法与策略通过所谓的模糊控制器来实现的。因此该理论多应用于一些强耦合、多参数、非线性、时变性、大惯性、纯滞后的复杂的、建立数学模型困难的系统。模糊控制系统与传统的闭环控制系统不同之处，就是用模糊控制器代替了模拟式控制器。模糊控制的基本原理:根据系统的输入输出之差,可以产生系统的输出误差及误差变化率。通过量化因子将连续的误差及误差变化率转化到模糊论域,变为离散量。根据这些论域内的离散量确定当前的误差及误差变化率的模糊语言值,再由这两个语言值根据由条件语句组合而来
34、的模糊控制规则确定语言输出值,最后将输出语言值经比例因子清晰化,从而得到实际控制量输出值。模糊控制器本质上就是一个采用了模糊控制算法的计算机或芯片，其组成如图3-1所示5。它分成三个部分：(1) 模糊化：将由测量得到的清晰数转化为模糊量。(2) 模糊推理：根据模糊控制算法进行推理。(3) 解模糊：将模糊集合变成清晰值的过程。图3-1 模糊控制器组成模糊控制器具有对过程建模的要求不高、控制算法简单方便、易于实现实时控制、高鲁棒性等特点。但是由于其控制精度取决于控制规则的数量，在控制精度要求较高的场合需要相当多的控制规则。因此，模糊控制只适用于粗糙控制场合，对于高精度的控制问题，模糊控制的效果不理
35、想，还得依赖经典控制或模糊控制与经典控制相结合的控制6。3.2 变论域自适应模糊控制由于模糊控制在高精度的控制场合控制效果不理想，导致其适用范围太窄，于是很多的学者提出了与神经网络和遗传算法等先进算法相结合的模糊算法，其中很多算法都取得了相当好的控制效果，但这些算法在改善控制效果的同时，也增加了算法复杂度，提高了对控制系统资源的要求，因此，很多算法不适合应用于对实时性要求较高的领域7。变论域自适应模糊控制理论于1995年由北京师范大学李洪兴教授首次提出，并于1999年完善了相关方面的理论，它控制精度高，相对神经网络或遗传算法来说具有算法简单实用、控制器结构简单的特点。3.2.1 变论域思想的提
36、出模糊控制器本质上就是插值器，目前常用的模糊控制模型如Mamdani模型、Mizumoto模型、Sugeno模型、Takagi模型等均可归结为某种插值函数8。在插值的意义下，作为表示模糊推理条件的模糊集恰为插值的基函数。因此，由插值得到的控制函数是否充分地逼近真实控制函数，要看这些模糊集峰点之间的距离是否充分的小，这意味着控制规则要足够的多，而这对于依赖领域专家知识总结控制规则的模糊控制器来说是困难的，这样便导致模型控制的稳态误差较大。针对这一问题，首次提出了变论域思想9：在规则形式（形状）不变的前提下，论域随着误差变小而收缩（亦可随着误差增大而扩展）。局部地看，论域收缩相当于增加规则，即插值
37、节点加密，从而提高了精度。论域的压缩与膨胀情况如图3-2所示10。（a）为初始论域，（b）、（c）为压缩后论域图3-2 论域压缩与膨胀情况这是一种动态逐点收敛的插值器，而这对控制来讲是足够的。不难看出，基于变论域的模糊控制器实际上是一种自适应模糊控制器。此外，基于变论域的模糊控制器的设计无需太多的领域专家知识，只要知道规则的大致趋势，至于论域是否等距划分，隶属函数取什么形式，在论域收缩之下已显得无关紧要了11。3.2.2 变论域自适应模糊控制器以双输入单输出模糊控制器为例，变论域自适应模糊控制系统的结构如图3-3所示。，分别为论域X，Y，Z的伸缩因子，伸缩因子的变化将导致隶属函数变形，从而改变
38、了控制规则，达到了自适应的效果。显然，如何选取伸缩因子将决定变论域自适应模糊控制器的性能。一种常见伸缩因子组合表达式如下： (3-2)图3-3 变论域自适应模糊控制系统结构3.3 变论域自适应模糊控制的改进变论域自适应模糊控制器改善了模糊控制器的控制精度，扩大了模糊控制的应用范围，但其不可避免地存在一些缺陷。要想得到伸缩因子需要进行复杂的高等函数计算，变换隶属函数，实现起来复杂，计算量大，会影响系统的实时性。基于上述原因，有必要对变论域自适应模糊控制器进行改进，使其更符合实际应用的要求。3.3.1 伸缩因子的量化分级针对伸缩因子在线调整耗费系统资源大的问题，可以利用分级控制的思想对其进行改造。
39、即不再实时调整伸缩因子，而是将伸缩因子的值分成若干等级，根据不同的误差范围取不同的值。设，将其量化分级后得 (3-3)其中为级数。显然，保留了变论域的思想，是对的近似简化。当足够大时，能获得“逼近”的性能。在实际应用中，及可根据需要取值，由离线计算得到，并生成伸缩因子查询表。经此处理后，控制器只需查表获得伸缩因子的值，并且只在固定点，处计算变换后的隶属函数，这样无疑将大大提高系统的实时性。3.3.2 改进型变论域自适应模糊控制器综上所述，我们可以得到一种改进型变论域自适应模糊控制器，其结构如图3-4所示：图3-4 改进型变论域自适应模糊控制器结构图其中，虚线框内为与具体系统无关的普通模糊控制器
40、，具有固定的输入论域和及输出论域。，分别为经过放大的误差及误差变化，为经过缩小的输出，即有：系统的初始输入论域为和，有： (3-4) (3-5)，分别为系统输入误差及输入误差变化的分级数。设系统的初始输出论域为，可得： (3-6)若为简单起见，可令 (3-7)，分别为系统输入误差及输入误差变化对系统输出的影响因素，根据不同系统酌情取值。改进后的变论域自适应模糊控制器保留了原控制器控制精度高的优点。与原控制器相比，运算量大为减少，能够节省大量的系统资源。3.4 推力加载系统的控制策略选择加载系统中存在着许多影响加载稳定性的因素，主要有以下两点：加载过程中存在不确定性扰动。当达到加载设定值附近时，
41、如果停止电机转动，加载力值可能向大（或小）的方向产生小的持续变化，直到最后稳定到某一力值。这种力值扰动与许多因素有关，如达到此设定值的区间段的加载速度、方向、设定点和设定点附近的调整速率等，还可能与机械机构存在滞弹性、摩擦甚至间隙等一些因素有关，并且在特定的加载点附近有一定规律性。位移调整的速度应该仔细选择，位移的调整速度过大会使加载力值围绕设定点产生振荡，过小则会影响加载的效率。传感器仪表的测量滞后特性。仪表实现模拟量到数字量转换和处理需要一定的时间，范围在0.5s到数秒。这种测量滞后容易导致加载力值的波动。由于存在这些不确定因素，常规PID控制很难取得很好的控制效果。普通模糊控制器存在一定
42、的稳态误差，不符合加载精度的要求。改进后的变论域自适应模糊控制器易于实现，并能大幅度提高模糊控制系统的控制精度，因此非常适合作为本推力加载系统的控制器。3.5 本章小结 本章介绍了两种控制方式（PID控制方式和模糊控制方式），并对它们的控制性能进行了简要分析，重点介绍了变论域自适应模糊控制器并对其加以改进，并选择改进的变论域自适应模糊控制策略为加载系统的控制策略。这无疑为加载系统的软件设计奠定了基础。第4章 NI运动控制卡及LabWindows/CVI本章介绍美国国家仪器公司（NI公司）推出的NI7330运动控制卡的特点及关于它的操作的一些信息，另外还对NI公司的LabWindows/CVI软
43、件进行了介绍。4.1 NI运动控制卡运动控制卡是基于PCI总线，利用高性能微处理器（如 DSP ）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。数字输入/输出点可用于限位、原点开关等。库函数包括S型、T型加速，直线插补和圆弧插补，多轴联动函数等。产品广泛应用于
44、工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。这些功能能通过计算机方便地调用。 4.1.1 NI 7330运动控制卡NI 7330运动控制卡是基于PCI总线的一种步进电机控制器，7330提供完全可编程的长达四个独立或协调的轴向运动控制。我们可以利用7330运动控制卡控制步进电机进行点对点的和直线的运动。7330控制器能够采用步进电机进行任意复杂的轨迹的运动。步进轴可以在开环或者闭环模式下操作。在闭环模式下，步进轴采用正交编码或模拟输入做为位置和速度反馈。所有步进轴
45、支持全、半和微步进应用。4.1.1.1 硬件结构7330采用一种先进的双处理器结构，处理器使用32位CPU，包括一个数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列(FPGA),这使得7330具有很高的性能。对于所有的闭环控制，7330都通过DSP来实现。FPGA支撑着DSP芯片，它完成超高速编码器的接口、位置捕获和断点功能、运动I/O处理和步进脉冲产生等硬件的实时功能。其结构如图4-1所示。1 RTSI连接器 2 序列号 3 提醒标志 4 柔性排线认证标志 5 识别号码6 装配号 7 数字I/O连接器 8 运动I/O连接器 9 CPU 10 DSP 图4-1 PCI-7330 结构图4.1.1.2
46、 嵌入式实时操作系统嵌入式的固件是基于一个嵌入式的RTOS核心，它在各种运动控制应用中提供最优化的系统性能。运动控制任务被优化了。运动控制任务的执行顺序是由每个任务的优先级、整个运动控制系统的状态、I/O或者其他的系统事件和实时的时钟共同决定的。DSP芯片是一个与CPU分开的、独立的但是又受到CPU的同化的处理器。7330是一个真正意义上的多重处理和多任务执行的嵌入式控制器。4.1.1.3 轨迹发生器7330控制器轨迹发生器在控制轴向目标位置运动的过程中计算出控制速度和加速度的瞬时的命令。这些命令然后被送到步进脉冲发生器。为了实施无限的轨迹控制，7330控制器在DSP芯片内集成了8个轨迹发生器。每个发生器为每段更新时间计算出一个瞬时位置。简单的点对点运动只需要一个轨迹发生器，而对于复杂的运动和无限的轨迹控制过程则需要两个发生器同时工作。4.1.1.4 信号连接器7330有三个连接器，他们控制了外部运动系统发出或接受的所有信号。这三个连接器是：运动I/O连接器；数字I/O连接器；RTSI连接器。(1) 运动I/O连接器。运动I/O连接器包含了用于控制最多四轴步进运动的所有信号，包括：运动控制步进输出；编码器反馈输入；断点输出；触发脉冲输入；抑制输出。下图显示了7330上运动I/O连接器的引脚分配。
