离心机系统可以通过高速旋转产生几十倍重力加速度的超重环境，可用以在地面上模拟训练航天员、飞行员身体机能的承受能力，这对航天员、飞行员选拨培养是至关重要的。此外，可以检查仪器设备在超重环境下的性能指标。随着航天航空的发展，离心机系统得到了越来越广泛的应用。

　　早期的离心机控制系统由分立元件组成，其性能不能满足当今的需要，许多新一代航天航空飞行器所表现的飞行优越性，老式离心机已无法比拟。因此，新离心机控制系统采用全数字调速装置，可以提高系统性能和安全可靠性，降低维护成本。目前，全数字调速设备应用于冶金、航空地面试验、火箭发射设备、造纸、纺织等各行各业，偏重于多工况的稳速应用、位置控制和多机联动功能，尚未见到有用于速度跟踪的。

　　离心机系统是用来模拟飞行器在空中出现的各种超重现象的，因此，要求控制离心机系统准确跟踪各种类型不同变化的加速度曲线，针对这个特点，本文设计离心机控制系统，其核心采用西门子6RA24全数字直流调速装置。该装置功能齐全，性能优良，安全可靠。特别是可通过软件设置在一定程度上建立改变内部控制算法结构，为离心机系统调试和运行提供方便。实验结果表明整个控制系统是有效的，达到了设计要求。

　　2控制系统体系结构离心机系统由主控台、拖动台、生理监测台、西门子调速装置、直流电动机、减速器、转台、臂架和吊舱组成，如所示。系统工作时，人躺卧在吊舱内，直流电动机带动吊舱和大臂架高速度旋转，产生几十倍重力加速度的超重环境。加速度变化规律归纳为5种典型曲线。每一种曲线又有数值不等的变化（如梯形曲线上升率在0.01g/s~6g/s内变化）生成更多曲线，种类繁多，加速度变化范围大。控制系统的任务是控制离心机吊舱旋转产生的加速度变化规律与给定加速度命令变化规律曲线相一致。此外，考虑到离心机的载人功能，要求系统有良好的安全可靠性和处理故障能力。

　　系统工程与电子技术负载吊舱臂架光电码盘主控计算机主机停车、启动通*、电视监视转台直流电动机控制计算机故检测计算机数据采集减速器生理信号采集舱内对答系统启动、停车指令输人西门子6RA24直流调速装置常规控制结构图离心机系统组成离心机控制系统采用层次体系结构|分为三层，见。

　　2.1监测管理级由主控计算机、拖动控制计算机，故障数据计算机和生理监测计算机组成。用于完成管理监娜周系统各部分工作，信息数据交换、发布各种命令，编辑计算加速度命令曲线，并将其转换成角速度命令曲线功能。

　　主控计算机的任务是发布各种命令，编辑加速度命令变化曲线并接收下级送来的实际加速度变化曲线并监视比较，紧急情况下立即停车。

　　拖动控制计算机的任务是接收主控计算机送来的加速度命令曲线，并将其转化成旋转角速度命令变化曲线。通过RS485串口通信，每10ms发一次信息数据给西门子6RA24全数字调速装置，同时，接收伺服级送来的传感器测量各种参数值，并分别传给主控计算机和故障数据计算机。

　　故障数据计算机的任务是监控各类关键参数变化情况，主要参数有加速度值、角速度值、压力、温度、噪声、位移、大厅门关闭信号、吊舱门关好信号等。发生异常时汽笛、警灯报警，并存储相关信息数据。

　　生理监测计算机的任务是监测吊舱内人员的生理情况。

　　主要测试参数有呼吸、脑电波、心电波等生理信号，并对其采集、存储和监视，如发生异常情况，立即紧急停车。

　　各计算机之间选用ARCnet局域网，传输介质为同轴电缆，网络控制方式为令牌传送。ARCnet的大优点是可靠性高，虽然数据传输率偏低，但在工业控制和国防军工领域中应用甚广。

　　2.2控制级控制级的核心是西门子6RA24全数字直流调速装置，其内部控制器的基本结构是速度电流双闭环结构。此外，该装置还提供大量的软节点和自由功能块以便系统设计者通过软件实时或非实时改变控制器结构，这些软件自由功能块包括一些基本功能，如加、减、乘、除、反相、延时、滤波等。使用时，只要有选择地搭接即可，十分方便，这为控制性能的改进提供了条件。

　　西门子6RA24全数字直流调速装置，一方面接收拖动计算机送来的旋转角速度命令信号，另一方面接收高精度光电码盘测量的电机旋转角速度反馈信号，通过内部处理单元计算后，得到控制信号，采用三相全控方式控制晶闸管整流器输出，调节直流电动机的旋转速度。

　　2.3伺服级伺服级由540kW的Z4* 355*42型直流电动机、减速器、光电码盘、转台、汇电环、臂架和吊舱以及各种传感器组成。其任务是驱动臂架和吊舱按着指定的角速度变化规律旋转。

　　3控制算法设计Z4―355―42型直流电动机是由上海南洋电机厂生产的，额定功率为540kW.减速器、8m长臂和吊舱，中负载被等效为一个死区环节和一个大惯量环节。常见的控制结构见。

　　离心机控制系统设计6RA24全数字直流调速装置中常用的是速度电流双闭环控制系统结构，它可以满足大多数工业应用情况。但在离心机系统中，由于要求跟踪的加速度曲线种类多，变化范围大，采用固定参数的PID结构不可能满足要求，因为固定参数的PID控制器适应非线性和不确定的能力不够，不能适应大范围的不确定性。因此，根据命令曲线类型和变化率大小的不同，划分不同的PID参数工作范围，适时改变PID参数，可使大范围跟踪性能得以提高。

　　在拖动控制计算机中，存储有PID参数表（见表1）。该表列有关于5个不同类型命令曲线和每一个类型命令曲线的不同曲线变化率（非周期信号）或不同频率（周期性信号）所对应的PID参数。当主控机发出指定命令曲线后，该曲线所属的类型也就确定了，该曲线中的大上升率、下降率或者频率也就知道了。拖动计算机根据曲线的类型和曲线中的大变化率或者信号频率等几个特征量，可以从表中立刻找出对应速度环电流环PID参数，再通过通信口送到西门子全数字直流调速装置，从而改变PID控制参数，使得控制性能始终保持良好。可调节的PID控制结构见参数见表1.表1中列出对应方波和正弦波两种类型曲线，不同频率下所对应的一部分PID参数。该参数是由多次反复试验得到的。

　　表中kpv，kiv，kdv为速度环的比例、积分、微分增益，kpi，kkdi为电流环的比例、积分、微分增益。

　　信号类型信号频率（Hz）正弦方波需要说明的是，PID参数的变换是在命令曲线下达之后，跟踪控制之前进行的。

　　4实验结果离心机系统被安装在宽阔的大厅内，使用环境良好。主要试验仪器有pc工控机，存储记忆示波器，直流稳压源，各种传感器等。

　　调试时，针对确定类型的加速度曲线，先调试6RA24调速装置中内环电流环的PID参数，而后调试外环速度环的PID参数。对于周期信号（如正弦波、方波）按4倍频和振幅划分PID参数工作范围。对于非周期信号（如梯形曲线），按变化曲线上升段（斜坡上升段）或下降段的大变化斜率小于2g/s和大于2g/s划分PID参数工作范围。和是控制器跟踪加速度梯形曲线不同上升率时的情况，比曲线上升率慢一倍。显然，跟踪的上升段曲线要困难些。

　　和同属加速度梯形曲线，但由于上升段的变化率不同，PID参数也不同。可以看出，由于采用可调PID参数控制器结构，两条不同上升率的加速度梯形曲线的跟踪性能都是令人满意的，无超调、无稳态稳差。

　　是跟踪正弦变化曲线的情况。从图中可见，不同幅度的正弦变化曲线都可以准确跟踪。

　　跟踪梯形曲线上升段（1）5安全可靠性设计跟踪梯形曲线上升段（2）跟踪不同幅度的正弦波曲线了确保万无一失，采取了以下几项措施。

　　（1）超速保护载人离心机系统的安全可靠性设计是十分重要的。为为了速，采取三重保护措施，即在控制软件算法系统工程与电子技术中设置保护、西门子6RA24直流调速装置安全保护设置和在伺服级另增一套速度检测超限自动断开主电源回路的保护装置，确保载人离心机安全可靠。

　　在离心机高速旋转期间，不允许有外人进入大厅。

　　因此，试验大厅的门若没有关闭好，则拖动控制计算机收到相关传感器信号后，采取停车关闭自锁措施，拒绝执行任何命令，有指示显示相应状态，排除后，系统恢复正常。处于等待工作状态。

　　生理监测计算机监测吊舱内被试人员脑电波、心电波和呼吸这三个生理信号都十分微弱，因此消除防止干扰信号尤为重要。采取以下措施。

　　①现场设备机箱，操作台等部件保证有良好的接地方式，防止耦合干扰。

　　②I/O板和AD转换板均采用带光隔离方式，保证各个环节互不干扰。

　　③信号线、电源线、地线的屏蔽措施。

　　试验表明，以上措施是有效的。生理信号清晰可用。

　　采用图像和声音将离心机各工作点（包括吊舱）联系起来，保证各子系统之间声音和图像的通信交流。

　　6结论离心机系统采用层次控制体系结构，核心是西门子6RA24直流调速装置，该装置性能优良，功能齐全，安全可靠。由于采用可调节PID控制算法，因此，在充分利用调速装置内部资源的前提下可提高大范围跟踪性能。整个控制系统安全可靠、有效，功能强，达到了设计目的。