雙電機消隙技術在某火炮隨動系統中的應用

摘要：文中以某火炮隨動系統的研制為背景，為了進一步提高系統精度，首先介紹了復合控制系統模型及分區PID算法，另外詳細論述了雙電機消隙的原理及動力系統結構，并建立了仿真模型。最后，通過madab仿真表明同時運用分區PID算法和雙電機消隙技術，能夠在保證系統穩定的情況下，很大程度地提高伺服系統跟蹤精度。
關鍵詞：復合控制；分區PID算法；雙電機消隙；仿真

眾所周知，經典PID由于算法簡單，在隨動系統的控制中是十分常用的，但由于經典PID算法的比例、積分和微分是一直不變的，這就使得它的控制效果達不到很好的效果，而采用分區PID控制，能根據實際需要，在不同區段采用相應算法，可以在很大程度上提高系統的穩定性。另外，伺服系統的齒輪中存在齒隙，采用雙電機消隙技術可以很好地予以克服，并使火炮跟蹤精度更高，誤差更小，魯棒性更好。

1 火炮隨動系統結構及分區PID控制算法
1．1 復合控制系統結構
本系統使用復合控制結構，及同時使用反饋和前饋控制。在位置環分區PID控制器的基礎上，引入速度、加速度前饋。復合控制框圖如圖1所示。

時，電機剛開始運行，此時輸出角和輸入角的差值最大，處在三區，系統以最大角加速度加速再以最大角速度向平衡點接近，在此階段，應該增加Kp，減小Kd，同時為了防止輸出值過大，應當增大Ki。
系統處于二區時，選取PI控制，在此過程中使實際角速度向理想角速度靠攏。
在一區和零區，實際位置逐漸接近預定值，為抑制超調應減小Kp，增大Kd和Ki。
當系統處于小區．系統靜差已經小到允許范圍內，只需要采取P控制。

2 雙電機消隙原理及數字仿真
2．1 雙電機消隙原理
2．1．1 齒隙的非線性及對系統穩定性的影響
在理想情況下，伺服系統中的齒輪變速裝置，其輸入與輸出間的關系應該是線性的。但實際上，由于齒輪在加工和使用中誤差的存在，以及為了補償由溫度和彈性形變所引起的尺寸變化，在一對相互嚙合的齒輪之間總存在一定的齒隙，圖2表示了齒輪嚙合中的間隙。

當主動輪運動方向改變時，從動輪仍保持原有位置，一直到全部齒隙2α被走完時，從動輪的位置才開始改變。正是這個間隙的存在，使得理想的線性傳動變成了一種非線性的傳動過程，從而對系統穩定造成影響。