本文介绍的高精度双轴转台运动控制系统研究，发表于《中国科技信息》2018年第24期。作者为林森和于宁，均来自北京航空航天大学。本研究由国家重点研发计划资助（项目编号：2017YFF0204905）。

本研究属于控制科学与工程、仪器科学与技术领域，具体聚焦于高精度伺服运动控制。研究的学术背景在于，高精度双轴转台是惯性器件（如线加速度计）姿态模拟测试与动态校准的关键设备，广泛应用于卫星导航、飞行制导、船舶航海等尖端领域。转台系统是一个复杂的伺服控制系统，其控制精度直接决定了惯性器件的测试与校准质量。尽管PID控制等经典方法在控制领域应用广泛，但如何将这些方法应用于双轴转台这一复杂机电系统，实现极高的角位置和角速率控制精度，仍是一个具有挑战性的工程问题。因此，本研究旨在针对双轴转台的运动控制精度进行深入探索，通过研究分析转台控制系统的PID驱动方法，设计并实现一套三环闭环数字反馈控制系统，以满足位置和速度的高精度控制技术要求。具体目标包括：实现对倾斜轴（外轴）的高精度角位置定位控制，以及对旋转轴（内轴）的高精度、宽范围角速率平稳控制。

本研究的工作流程主要分为三个核心部分：双轴转台控制系统总体设计、角速率（旋转轴）运动控制系统研制、以及角位置（倾斜轴）运动控制系统研制。研究的主要对象是双轴转台这一机电一体化设备本身及其控制系统，涉及的硬件核心包括上位机、伺服驱动器、伺服电机、圆光栅增量式编码器，以及用于评估和校准的第三方高精度仪器（如频率计、光电自准直仪）。

首先，在控制系统总体设计环节，研究人员构建了全闭环的控制系统架构。该系统的控制方案选用交流伺服控制，并针对双轴的不同功能需求采用了差异化的闭环策略：对于负责角位置控制的倾斜轴（外轴），采用了位置环、速度环、电流环三环闭合控制；对于负责角速率控制的旋转轴（内轴），则采用了速度环、电流环双环闭合控制。上位机发出指令，经过控制器运算生成控制信号驱动电机，编码器实时测量角度和转速并反馈给控制器，从而形成闭环。

其次，对角速率运动控制系统的研制是本研究的重点之一。该系统旨在实现内轴在3.6°/s至10800°/s的宽转速范围内，以极高的精度（目标达5×10^-4 °/s）恒速旋转。研究基于AKD驱动器和KBMS系列电机，并围绕几个关键技术点展开了详细设计和实验： 1. 光电编码器测速分辨率和误差评估：系统的核心测量元件是圆光栅增量式编码器。研究首先确保编码器的分辨率满足系统基本要求。更重要的是，对测速误差进行了评估，因为该误差直接影响最终输出速度的精度。研究人员最终通过高精度频率计对系统输出速度精度进行校准，确保达到控制要求。 2. 速度环谐振抑制滤波设计：在高速旋转时，机械结构可能发生共振，导致台面振动。为解决此问题，在不改变已有控制参数的前提下，研究团队在控制软件中设计了反谐振滤波器，通过信号处理手段来抑制伺服系统与机械结构发生的共振。 3. 速度环数字反馈控制与参数整定实验：这是实现高精度稳速控制的核心。速度环采用了数字PI（比例-积分）控制器。控制逻辑图中特别包含了串联在控制前馈路径和反馈路径中的反谐振滤波器，用于前述的共振抑制。为了实现数字反馈控制所要求的电机输出速度稳态精度达5×10^-5 °/s（以360°平均）且响应快速的目标，必须对PI控制器的参数进行精确整定。为此，研究设计了系统的参数整定实验流程：首先进行伺服系统速度环频率特性测量实验；其次进行速度环被控对象模型辨识实验；接着进行控制器参数整定实验；最后进行带负载时的速度控制器PI参数整定实验。这个过程通过逐步调整比例增益和积分增益，并在采样时间段内观察速度输出的峰峰值和均值，直至满足精度要求。同时，研究还考虑了防止积分饱和和限制调节器输出，以避免系统性能恶化。

最后，对角位置运动控制系统的研制。该系统旨在控制转台外轴，以改变倾斜轴与本地重力加速度的夹角，从而为惯性器件提供精确的输入激励。基于Copley驱动器和直流力矩电机，目标是实现角位置定位分辨力0.5角秒，角位置精度±1角秒。其研究工作流程包括： 1. 位置环控制设计：通过对位置命令输入、位置偏差及其限值告警、位置反馈、位置环比例与积分增益等参数进行详细设计，构建了完整的位置环控制逻辑，以实现高精度的定位。 2. 位置锁紧设计：在原有机械锁紧的基础上，升级为电子锁紧装置，配合位置环控制系统完成精确锁紧操作。 3. 基于标准仪器的监测评估和校准平台设计：这是确保和验证控制精度的关键环节。研究团队构建了一个可溯源的校准平台。该平台利用高精度频率计、示波器对电机的速度、位置、电压、电流等参数进行实时监测。更重要的是，通过高精度光电自准直仪（用于高精度角度测量）的通信接口，与主控计算机建立实时通信链路，形成一个基于标准仪器的监测评估系统。这个平台不仅用于评估控制精度，还能基于监测结果对电机控制方式进行在线校准或修正。

研究取得的主要结果清晰地体现在两个控制系统的最终性能指标上。 在角速率控制方面，旋转轴运动控制系统的研制取得了成功。实验结果表明，系统实现了内轴在极宽转速范围（3.6°/s 至 10800°/s）内的高精度稳速控制。具体数据支持为：在低速段（3.6°/s ≤ ω < 10°/s），角速率控制误差达到5×10^-4（以10°平均）；在更宽的转速范围（10°/s ≤ ω < 10800°/s），角速率控制误差更是达到了5×10^-5（以360°平均）。这一结果直接证明了速度环中针对编码器误差评估、谐振抑制滤波设计以及经过精心整定的数字PI反馈控制策略的有效性。高精度的稳速控制为惯性器件提供了稳定可靠的角速率激励环境。 在角位置控制方面，倾斜轴运动控制系统的研制同样达到了预期目标。最终测试表明，系统的角位置定位分辨力为0.5角秒，角位置控制精度为±1角秒。这一结果的达成，依赖于精细的位置环控制设计、可靠的电子锁紧机制，以及至关重要的、基于高精度光电自准直仪的监测评估与校准平台。该平台提供的可溯源的高精度测量数据，是验证和确保±1角秒精度的直接证据。 这些分系统的结果逻辑上共同支撑了整体研究的成功。角速率的高精度保证了运动过程的平稳性，角位置的高精度保证了定位的准确性，两者结合，使得双轴转台能够精确复现飞行器惯性器件在空间中的复杂姿态变化。各环节的实验结果，特别是基于标准仪器校准平台得到的验证数据，强有力地支持了研究的最终结论。

本研究的结论是，通过深入研究PID控制算法在复杂伺服系统中的应用，并创新性地设计了三环闭环数字反馈控制系统架构，结合针对性的谐振抑制、精密参数整定和基于标准仪器的可溯源校准方法，成功研制出了一套高精度双轴转台运动控制系统。该系统能够同时实现极高的角位置控制精度（±1角秒）和极宽的角速率控制范围与精度（误差达5×10^-4至5×10^-5），完全满足了系统设计的技术要求。 该研究的科学价值在于，它不仅仅是对经典PID算法的简单应用，而是展示了如何将经典控制理论与先进的数字控制技术、信号处理技术（如反谐振滤波）以及高精度计量校准技术深度融合，解决复杂机电伺服系统中的高精度控制难题。它为高精度运动控制领域提供了一个从理论分析、系统设计、参数整定到精度验证的完整研究范例。其应用价值非常显著，所研制的控制系统能够显著提升双轴转台的性能，从而为惯性导航器件、航天制导系统等提供更精确、更可靠的测试与校准环境，对我国卫星导航、航空航天等高技术领域的科研与生产具有积极的推动作用和重要的工程意义。

本研究的亮点主要体现在以下几个方面：首先，在研究目标上，同时追求超高精度的角位置（角秒级）和超宽范围、超高精度的角速率控制，技术指标要求高，挑战性强。其次，在研究方法上，创新性地将反谐振滤波器集成到数字速度环的前馈和反馈路径中，有效抑制了机械共振，这是在控制策略上的一个特色设计。再者，在精度验证层面，构建了基于第三方高精度频率计和光电自准直仪的实时监测评估与校准平台，实现了控制参数的可溯源校准，这确保了精度指标的可靠性和权威性，是本研究方法论上的一个重要创新点。最后，整个研究工作流程严谨，从系统总体设计到分系统关键技术攻关（如测速误差评估、模型辨识、参数整定实验链），再到最终基于标准仪器的校准验证，形成了完整的技术闭环，体现了较高的工程研究水平。

此外，文中还提及了该研究在测试计量行业的积极推动作用，以及点评人（也是作者之一）对该研究工作的评价，认为其提出的观点和分析方法对行业发展具有积极意义。这些内容进一步肯定了该研究成果的实践价值。