引言

飛行器仿真轉臺是一種通過伺服控制并且需要高精度控制系統(tǒng)的重要實驗仿真設備，它可仿真模擬飛機空中飛行狀態(tài)和動作，如：俯仰、滾轉和偏航。飛行器仿真轉臺實際上是一種將電信號轉換到機械運動的設備。但如何提高飛行器仿真轉臺的動態(tài)性能一直是這一領域研究的熱點問。我國對飛行仿真轉臺的研究開始于20世紀中期，主要分布于航天、兵器、航空、船舶等相關領域。在新產品的研制開發(fā)過程中發(fā)揮著重要作用，隨著目前計算機技術的迅速發(fā)展和伺服技術的廣泛應用，在高精度三軸飛行仿真轉臺中實現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（日本學者）曾提出采用多速率采樣系統(tǒng)實現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,從而構造出被控對象狀態(tài)的傳遞函數矩陣來。該方法的提出目前逐漸成為此領域的研究熱點。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、交流伺服等相關領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。

轉臺作為飛行仿真器和導航測試主要組成部分，為使飛行仿真器具有更高的精度，提高轉臺的精度是必不可少。但目前對飛行器轉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。由于在實際應用是系統(tǒng)比較復雜，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學模型。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學模型間存在差異。目前，隨著自動化控制技術的不斷發(fā)展和完善，航空、航天領域對飛行器仿真轉臺的精度和響應頻率等技術參數的要求也越來越高，給轉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、飛行器仿真轉臺控制系統(tǒng)介紹

飛行仿真轉臺主要由外框、中框和內框三部分組成，如圖1所示為某型號的三軸飛行仿真轉臺示意圖，中框和內框都采用閉合式結構，外框采用音叉式結構，內中外三框采用伺服電機進行驅動可進行連續(xù)旋轉。將陀螺儀和導引頭等傳感器安裝在內框上用于感應飛機的飛行姿態(tài)和角運動，其傳感器和控制器的I/O信號通過導電環(huán)從底座引出，從而將各種姿態(tài)采集到的信號轉化為轉臺的機械轉動。外中內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、內框表示飛機滾轉，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臺示意圖

本系統(tǒng)的驅動部分主要是外框、中框和內框分別采用伺服電機進行驅動，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同步器和一個測速機，用以監(jiān)測仿真轉臺的旋轉角位置和角速度。

轉臺的內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)行機構進行直接控制。因為每個通道控制回路的物理結構是相同的，所以三個通道之間的控制關系為并行關系。

圖2飛行器仿真轉臺系統(tǒng)總體控制結構圖

上位機的操作面板用于設置系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并且將工作狀態(tài)的相關信息在上位機進行顯示。上位機在將設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據交換。下位機可將實時根據采集到的反饋信號，依據編寫的控制程序算法，換算出輸出量，然后通過數字量/模擬量輸出，經控制器控制電機，從而實現飛行器轉臺的實時控制。

2、轉臺數學模型建立

因為轉臺的內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)的設計[6]。以下所建立的飛行器仿真轉臺的數學建模：

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節(jié)能力，依次采用了設計位置環(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)設計

速度環(huán)設計是位置控制系統(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，從而構成速度反饋環(huán)。

3,3位置環(huán)設計

圖3飛行器仿真轉臺控制系統(tǒng)結構框圖

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)控制器為數字式控制器，因此可通過計算機來實現。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臺進行設計的，其中內框采用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，從而構成了對PID進行前饋復合控制。如圖4所示為在MATLAB/Simulink軟件中建立的飛行器仿真轉臺伺服系統(tǒng)仿真圖。

圖4飛行器仿真轉臺伺服系統(tǒng)仿真圖

本控制系統(tǒng)中設定定時中斷為1ms，采集數據間隔為1ms，并在內框中增加30公斤的負載。采用PID前饋復合控制，分別設定輸入位置命令為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飛行器模擬轉臺PID前饋復合控制仿真圖

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

5、結論

本文對飛行器仿真轉臺的總體控制方案進行介紹，并搭建了單框轉臺的數學模型，對轉臺的控制器進行了設計方法的介紹，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，并對仿真結果進行了分析。通過實驗結果證明了該控制方案的有效性。