馬輝輝， 胡秋野， 黃海濤， 徐 強

(上海無線電設備研究所，上海201109)

0 引言

伺服機構是導彈導引頭的重要組成部分，主要用于初始對準、隔離彈體擾動和跟蹤目標，完成目標探測、識別與跟蹤。作為一個復雜的機電系統(tǒng)，如果按照傳統(tǒng)的“樣機-試驗-改進”設計模式反復進行，不僅很難準確有效地提高伺服機構的性能，而且會耗費大量的物力和時間，因此引入虛擬樣機技術對伺服機構的設計具有重要的指導意義。在初始設計完成、制造物理樣機之前，首先建立虛擬樣機系統(tǒng)，然后輸入相應的條件測試系統(tǒng)性能，發(fā)現其不足與缺陷，并加以改進，最終獲得虛擬系統(tǒng)的最優(yōu)設計方案，從而減少昂貴、耗時的物理樣機試驗，提高產品設計水平、縮短產品開發(fā)周期和產品開發(fā)成本。ADAMS能夠方便的實現復雜機械系統(tǒng)的運動學和動力學仿真，而MATLAB具有強大的計算功能，并可以快速構建控制系統(tǒng)數學模型。因此，ADAMS 與MATLAB 通過二者之間的接口模塊ADAMS/Controls建立伺服機構的聯合仿真系統(tǒng)，既可以在ADAMS中對伺服機構的運動學和動力學進行仿真分析，又可以在MATLAB 中搭建控制系統(tǒng)數學模型，實現交互式聯合仿真分析。[1]可以有效地提高伺服機構的性能，為實際物理樣機的研制提供技術依據。

1 伺服機構3D 建模

ADAMS具有強大的運動學和動力學仿真能力，但是CAD 能力不足，很難快速精確地建立復雜的三維實體模型。通常方式為選擇專業(yè)的CAD 設計軟件建模，利用專業(yè)CAD 軟件設計某伺服機構，機構模型如圖1所示。設計的伺服機構采用力矩電機直接驅動方式的雙軸內框架結構，實現俯仰與偏航兩自由度運動。俯仰的力矩電機固定在機座上，通過剛性同心軸傳遞負載的運動給俯仰角電位器，同時驅動與該同心軸固聯的內框負載;同樣，偏航的力矩電機固定在天線底座上，通過垂直方向上交叉固聯的另一剛性同心軸傳遞負載的運動給偏航電位器，同時驅動與該同心軸固聯的負載平臺。整個機構使用單個撓性陀螺來敏感空間運動的俯仰和偏航角速度，電位器位置反饋回路采用同步無級傳動來檢測機構運動的俯仰和偏航角位置。

圖1 伺服機構3D 模型

2 伺服機構仿真模型的建立與分析

2.1 仿真模型的建立

伺服機構的運動學及動力學仿真需在ADAMS中進行，因此需要將伺服機構的3D 模型文件保存為Parasolid文檔格式(*.x_t)，然后導入ADAMS/View 模塊中。在ADAMS/View 界面中，需要對導入的幾何模型構件信息進行修改和編輯，定義材料、密度、質量、轉動慣量等相關屬性，確保虛擬樣機盡可能接近實際系統(tǒng)的物理特性，以便取得更好的仿真效果。要模擬系統(tǒng)的真實運動情況，需要根據實際情況抽象出相應的運動副，并在ADAMS模型的構件間定義運動副約束，施加驅動和載荷[2]，如圖2所示。

圖2 定義約束后的仿真模型

俯仰/偏航的力矩電機驅動伺服機構作相對回轉運動，因此需要在兩電機的回轉軸線上定義旋轉副(Revolute)約束，其他沒有相對運動的構件間均定義為固定副(Fixed)約束。在正確定義約束完畢后，各構件之間便具有確定的約束關系，可以確保仿真時伺服機構有正確的運動軌跡。

2.2 運動學及動力學仿真分析

在定義好的旋轉副約束處添加旋轉驅動(Rotational Motion)或者力矩(Torque)，之后便可以進行運動學及動力學仿真。在ADAMS 運動仿真系統(tǒng)中，可以通過驅動函數和力矩函數來定義所需要的驅動方式。該伺服機構的工作方式為雙軸的力矩電機同時施加運動驅動力，因此分別定義其驅動函數方程。

俯仰方程：

Function(time)=50 d*COS(2*PI*0.2*time)

偏航方程：

Function(time)=50 d*SIN(2*PI*0.2*time)

設置仿真時間為20 s，仿真步數為Steps=500，仿真分析后可以輸出伺服機構中任意構件的屬性信息，在后處理模塊中可以顯示，例如天線負載質心圍繞旋轉中心坐標軸的角速度，如圖3所示。

圖3 運動學及動力學仿真

利用運動學仿真分析，ADAMS 自帶的Clearance工具可以有效檢測構件間的干涉信息，可以在設計過程中發(fā)現問題，優(yōu)化機構設計。如圖4顯示結果表明，機座與天線底座之間的間隙檢測結果表明兩零件間隙最小值為0，需要重新設計修改零件，保證零件間距安全不干涉。

圖4 Clearance間隙檢測

3 機電系統(tǒng)聯合仿真

ADAMS/Controls可以將ADAMS 的機械系統(tǒng)模型與控制系統(tǒng)應用軟件(如：MATLAB、EASY5或者MATRIX)連接起來，實現在控制系統(tǒng)軟件環(huán)境下進行交互式仿真，還可以在ADAMS/View 中觀察結果。在仿真計算過程中，ADAMS可采取兩種方式：其一，機械系統(tǒng)采用ADAMS解算器，控制系統(tǒng)采用控制軟件解算器，二者之間通過狀態(tài)方程進行聯系;其二，利用控制軟件書寫描述控制系統(tǒng)的控制框圖，然后將該控制框圖提交給ADAMS，應用ADAMS解算器進行包括控制系統(tǒng)在內的復雜機械系統(tǒng)虛擬樣機的同步仿真計算。[3]

本文采用第二種計算方式，伺服機構ADAMS機械系統(tǒng)模型與MATLAB 控制系統(tǒng)框圖通過ADAMS/Controls控制模塊接口來實現聯合仿真。

3.1 聯合仿真接口模塊

機電系統(tǒng)聯合仿真設計流程主要有以下四個步驟，如圖5所示。

圖5 機電系統(tǒng)聯合仿真設計流程

將伺服機構機械系統(tǒng)的ADAMS模型通過ADAMS/Controls 接口模塊導入 MATLAB/Simulink仿真模塊，實現ADAMS與MATLAB之間的數據傳遞。為實現機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的參數傳遞，需要在ADAMS中確定聯合仿真系統(tǒng)所需的輸入輸出變量，并由此在ADAMS與MATLAB之間形成一個閉合回路，如圖6所示。

圖6 ADAMS的輸入輸出變量

在ADAMS/Controls模塊中，將電機的力矩變量定義為輸入變量，用于存儲MATLAB 中控制系統(tǒng)的力矩指令;將角速度變量定義為輸出變量，用于控制系統(tǒng)中的角速度反饋輸入。導出控制參數后，在ADAMS的工作目錄下將生成后綴為*.m、*.cmd、*.adm 的3個文件用于數據傳遞。在MATLAB 中輸入接口命令：adams_sys，將會彈出伺服機構的接口模塊，如圖7所示。

從圖中可以看出，接口模塊中ADAMSPlant的輸入變量為力矩V_Torque，輸出變量為角速度fy_V。

3.2 聯合仿真控制系統(tǒng)原理

圖7 聯合仿真接口模塊

伺服機構是一個多變量的復雜機電系統(tǒng)，控制回路一般分為預定回路和穩(wěn)定跟蹤回路。在此針對預定回路做詳細仿真，預定回路采用增益控制，并通過超前—滯后相關頻域校正設計方法，保證回路的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。

根據前面圖6 表示的變量關系轉換，ADAMS利用其函數實時地調用控制系統(tǒng)輸出的力矩變量值V-Torque，并將其作為該時刻的電機力矩指令驅動伺服機構運動，而伺服機構的角速度變量fy_V 又被實時地反饋到控制系統(tǒng)中，從而構成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現伺服機構的精確控制。

3.3 聯合仿真結果分析

為驗證伺服機構的聯合仿真結果，以俯仰電機所在通道為例，以階躍信號測試系統(tǒng)的響應特性，如圖8、圖9、圖10所示。

通過分析可見，在階躍信號作用下，伺服機構能在在特定的響應時間內，由初始位置上升并迅速穩(wěn)定到指令給定的目標位置，從而實現位置的快速、精確控制。通過ADAMS中的仿真動畫也可以觀察到，電機驅動天線負載由初始位置快速旋轉到達指定位置，并在該位置穩(wěn)定保持不變。

圖8 力矩變量V_Torque輸入曲線

圖9 角速度fy_V 輸出曲線

圖10 聯合仿真系統(tǒng)階躍響應特性

同理，向仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定跟蹤控制回路輸入斜坡響應信號，可獲得斜坡響應特性曲線，如圖11所示。結果顯示機構可精確跟隨斜坡信號，僅有較小的穩(wěn)態(tài)誤差，表明伺服機構具有良好的穩(wěn)定跟蹤特性。

圖11 聯合仿真系統(tǒng)斜坡響應特性

4 結論

利用虛擬樣機設計方法，應用Solid Edge、ADAMS、MATLAB 三個軟件，先建立伺服機構的機械系統(tǒng)模型，再對其進行運動學及動力學仿真，后實現機電系統(tǒng)聯合仿真，驗證伺服機構的可行性，有助于物理樣機的設計和研制。因此，在研制物理樣機之前，應用此設計分析方法可優(yōu)化設計方案，降低研發(fā)成本，縮短研制時間，為伺服機構的研發(fā)提供了一種新的思路和途徑。