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有“问题”的项目才是好项目——第一次调试六自由度运动系统记

已有 4491 次阅读 2011-6-4 20:40 |个人分类:科研心得|系统分类:科研笔记|关键词:六自由度运动系统,调试| 调试, 六自由度运动系统

虽然我曾经参加过多项科研项目,但至今仍然对2002年第一次调试六自由度运动系统的经历记忆犹新。第一次调试,难免遇到各种困难。困难就像一团乱麻,让人难以捉摸,心情烦躁,但细心的人终于能够从错综复杂的局面中,慢慢理出头绪。我们在系统调试的实践中成长,在解决困难的过程中逐渐成熟。那次调试,有失败的教训,也有成功的经验。我希望能够与大家分享我的这些经验。

当时遇到的主要问题是运动平台抖动大,平台带动模拟座舱发出轰鸣声。当然产生平台抖动的原因有许多,例如系统不稳定、液压缸排气不好等等。这一次,我似乎很“幸运地”把几乎所有的问题都遇上了。

最初,我们认为抖动不是控制系统不稳定造成的,而是量化误差引起的极限环振荡。驱动运动系统的液压缸活塞杆的行程很长(1.53米),而采用的数据采集卡的AD分辨率(12位)较低,从而产生较大的量化误差并引起平台小幅抖动。

 

【量化误差引起的极限环振荡】

所有工作安排的基础是建立在这样一种假设上的,产生平台振动的原因主要是A/D量化误差的结果(参阅动态系统的计算机控制,吴沛容编)。对于数字控制系统来说,由于量化误差的存在,产生极限环振荡是必然的。极限环振荡的幅度是与量化误差成正比的。量化误差越小,极限环震荡幅度越小。六自由度运动平台的液压缸的最大伸长量为1.53米,12位的A/D对应液压缸活塞杆位移分辨率(量化误差)为0.747mm,因此,活塞会产生1毫米左右的小幅振荡。解决这一问题的方法就是提高AD的分辨率。16位的A/D对应液压缸活塞杆位移分辨率(量化误差)为0.05mm,因此把原来的12位的A/D改成16位的A/D就可以减小极限环振荡的幅度。

为了验证极限环振荡的存在,我们用Simulink作了仿真,仿真结果证明极限环振荡确实存在。接下来又作了一个简单的实验,用模拟电路来模拟伺服机构的动态特性,并用此电路与计算机构成数字闭环控制系统,来测试极限环振荡的存在,但当时测试中并未检测到预期的结果。但那并不意味着仿真是错误的,也不意味着极限环振荡不存在,而是因为测试手段的不足造成的

然而,实际的工作进展并不像我们想象的那么顺利。我和徐文德老师更换完16A/D采集卡,平台仍有抖动,未见明显的改善。还有其他的原因,接着找。

 

【UPS】

如果让我来描述上帝长得什么样,我想他应该是一位个子不高,满头银发,面色红润,目光慈祥的长者。或许还应该带点山西口音。

上帝是个热心肠,这天早晨,他来到实验室,看到我正对着计算机的屏幕皱着眉头。屏幕上位移信号中混杂的2030毫伏的噪声正让我心烦意乱呢。

“这噪声的形式很怪,有点类似扫频信号。”我说,“咱们的空调机房在哪,空调是不是变频的?”我想我这么说有点耍无赖。但上帝并不在意,他带着我来到空调机房,里面并不见变频器的影子,而且据管理员说中午和晚上空调是关闭的。

“隔壁是配电室吗?”噪声的产生总得有点理由吧。

“查查你们自己的控制柜吧。”上帝摇了摇头,转身走了,留下一句意味深长的话让我自己去领悟。

我们习惯于“别人是错的,自己是对的”这样一种思维。

......

我们自己的控制柜怎么会有问题呢?

......

万能的上帝无所不知,相信上帝吧!

听他的,没错的。

......

我和徐老师对控制柜进行了分析,认为控制柜中最可能的噪声源就是UPS和净化电源了。凡事必须一试,我们立刻行动,关掉UPS,把控制柜以及计算机的电源直接连到市电电源。当我们打开计算机观察位移传感器的信号时,奇迹发生了,原来2030毫伏的干扰消失了,剩下的噪声也只有23毫伏。终于见到了一丝曙光。

 

【混频现象】

我和徐老师准备让李洪人老师(项目负责人)请客,可是这顿饭终于没有吃到。因为短暂的兴奋,又被新的困惑冲淡了。当平台以新的状态运行起来的时候,隆隆声消失了,但台体抖动并未消除。一、六号缸没有抖动,而二、三、四、五号缸23Hz的小幅串动。从运动控制计算机屏幕上的位移信号上也能看得很明显。

我说“李老师,得找人对伺服阀进行一次精调吧。”

李老师并不以为然。

他说:“位移传感器本身是不是有问题?你把台子落到最低位置,关掉退出阀,把位移传感器的信号滤波,看看是否其本身就有低频正弦干扰。”

我虽然不同意李老师的观点,但我还是按他的要求对信号进行了滤波处理,结果发现正像李老师所说的,除了一号缸和六号缸外,其他液压缸都有频率为23Hz的低频信号。

必须面对现实。

“我们之前测得的干扰信号频率应该是两千赫兹左右啊(三级伺服阀阀芯位移LVDT传感器的激励信号),现在怎么是低频的呢?”李老师陷入了沉思。

大家分析认为,原因有两个:位移传感器电源有问题或者传感器自身的问题。但经过进一步的分析与仿真,发现这实际上是混频现象。对于数字采样系统,假设其采样频率为1000 Hz,如果传感器中混有1003 Hz的干扰源,则采样系统中会产生3Hz的低频虚假信号。不同的采样频率产生的虚假信号的频率也是不同的。为了使其产生的虚假信号暂时不影响系统的工作,我们决定通过改变采样频率的方法,使得虚假信号要么频率很低让人感觉不到,要么使其频率很高使系统对它的输入不响应。当然这只是敷衍的方法,正确的解决办法应该是:在数字采样系统之前加一个截止频率小于奈奎斯特频率的模拟滤波器。

    我们把采样时间改为0.975毫秒和1.1毫秒,分别进行测试,结果平台的运动让人出乎意料。我们终于能够看到什么是平稳的、安静的、“纹丝不动”的六自由度运动平台了。
 
   【对待科研不能心存侥幸】
    这之后,控制柜电源插排出现了问题,我们更换了电源插排,准备重新为控制柜供电。这时李老师提醒我,应该先检查控制柜是否正常,再通电。

我很不耐烦,“怎么查啊?没问题。”

当我为控制柜通电后,感觉位移传感器的信号有问题,它以一定的频率,在正负10伏之间跳跃。我急忙关掉电源,和徐老师检查控制柜。

人常说“不听老人言吃亏在眼前”,虽然不情愿,但我还得承认,李老师的话是对的。做事,尤其是搞科研,不能抱有半点的侥幸心理。

经过检查,最后发现,电源的24V断了,它恰好为位移传感器供电,所以计算机采集的信号是错误的。

查明这只是电源的问题,我心里的一块石头落了地。吸取了教训,在为控制柜通电之前,我们决定再仔细检查电控柜中与控制回路有关的部分,尤其是电源部分是否正常。

在检查伺服阀输出的时候,发现其电源不正常。按照标准的接线方式,伺服阀的电源本来应该对“信号地”的电压为正负15伏,结果发现,一边为20伏,一边为负10伏,虽然它们的和为30伏,但其对“地”电压不对。我和徐老师开始了寻找“地”的过程,经过几个小时的检查,终于发现,原来是接线的问题:信号地与信号接反了。一、二号伺服阀接线正确,而三、四、五、六信号地与信号接反。其中四、五、六的接线在电路中得到了修正,所以原控制系统并未出现正反馈。而三号伺服阀的问题就显得严重了,对照控制系统中的增益设置,发现,其增益与其它控制回路的增益反号,而且数值上相差较大。

    改线之后,三号缸抖动严重,经过李老师和徐老师对其三级伺服阀的内环增益进行调整,系统性能又得到了进一步的改善。
   
    【后记】我遇到的问题不能一一列举,以后有机会再谈。总结一下:有“问题”的项目才是好项目。


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