管 皓, 朱文白

(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012)

1994年,中國(guó)天文學(xué)家提出在貴州省南部喀斯特洼地中建造500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope)的建議和工程方案[1]，它將是世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。FAST的天文觀測(cè)將回溯原初宇宙，解答宇宙學(xué)的眾多難題。FAST具有3項(xiàng)自主創(chuàng)新[2]——洼地臺(tái)址、主動(dòng)反射面[3]和光機(jī)電一體化柔性饋源支撐系統(tǒng)[4-5]。作為一項(xiàng)巨大的工程項(xiàng)目，F(xiàn)AST涉及到一些工程領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的課題。經(jīng)過15年的關(guān)鍵技術(shù)研究和模型實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)AST工程方案的臺(tái)址[6]、主動(dòng)反射面、光機(jī)電一體的饋源支撐系統(tǒng)、高精度測(cè)量與控制以及接收機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)可行性已得到確認(rèn)。FAST作為國(guó)家“十一五”大科學(xué)裝置2007年7月正式立項(xiàng)。

FAST關(guān)鍵技術(shù)之一的光機(jī)電一體化的饋源支撐系統(tǒng)[7]，系統(tǒng)采用索系支撐拖動(dòng)輕型饋源艙，艙內(nèi)裝置并聯(lián)機(jī)器人作為二次精調(diào)穩(wěn)定機(jī)構(gòu), 承載望遠(yuǎn)鏡饋源前端。這樣，在饋源與反射面之間無剛性連接的情況下, 實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡饋源的高精度的指向跟蹤，要求饋源在150m高空、206m的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，六自由度剛體上各點(diǎn)實(shí)時(shí)達(dá)到10mm的定位精度[8-9]。

圖1 500 m大射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)的三維模擬圖Fig.1 The 3D graphics of FAST

Linux是近年來發(fā)展異常迅猛的操作系統(tǒng)，其原因在于它是開源操作系統(tǒng)，有開源社區(qū)強(qiáng)有力的支持。另外，Linux是基于Unix的類Unix系的操作系統(tǒng)，而Unix的穩(wěn)定性、可靠性以及出色的網(wǎng)絡(luò)能力世所皆知。目前在天文界，Linux已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算。在工程技術(shù)中， Linux的應(yīng)用更是蔓延到從手機(jī)終端到車載系統(tǒng)等廣闊的領(lǐng)域。為增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性與可靠性，同國(guó)際天文界更好地進(jìn)行交流，F(xiàn)AST項(xiàng)目有必要采用Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)。

Ubuntu Linux是近年來Linux家族中一顆耀眼的明星，作為最為純粹的自由開源版本，它優(yōu)良的特性得到了廣泛認(rèn)可，目前已經(jīng)成為用戶使用比例最高的Linux版本之一。

Linux環(huán)境下的可視化開發(fā)是一個(gè)重要問題。目前由挪威TrollTech公司開發(fā)的Qt庫(kù)是一個(gè)優(yōu)秀的跨平臺(tái)C++類庫(kù)[10]，利用它可以非常輕松地開發(fā)Linux下的可視化軟件，許多著名軟件皆是利用了Qt進(jìn)行開發(fā)(如著名的桌面環(huán)境KDE)。本系統(tǒng)采用的是Qt4的開源版本。

1 控制系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計(jì)

FAST饋源一次支撐系統(tǒng)是一個(gè)索牽引的并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)，包含測(cè)量系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分。整個(gè)系統(tǒng)的示意圖見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 The structure of the control system

整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)完整的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。主控程序作為核心模塊完成了控制算法的實(shí)現(xiàn)，在本系統(tǒng)中采用PID位置反饋與力反饋的雙閉環(huán)控制策略，一方面實(shí)現(xiàn)位置精準(zhǔn)定位，另一方面也要針對(duì)索系力學(xué)特性的要求，避免虛牽與過載等情況發(fā)生。用戶界面體現(xiàn)出用戶(天文學(xué)家)對(duì)天文觀測(cè)的要求，給出系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，作為整個(gè)系統(tǒng)的輸入。主控算法在接收用戶輸入與反饋輸入，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后通過網(wǎng)絡(luò)向多臺(tái)電機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。電機(jī)模塊接收數(shù)據(jù)后，通過相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制繩索收放達(dá)到饋源倉(cāng)的定位目的。

2 控制軟件各模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 軟硬件平臺(tái)及開發(fā)工具

軟件運(yùn)行基于Intel X86架構(gòu)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，CPU為Pentium@4，2.66GHz, 內(nèi)存512M。

目前Linux的版本眾多，本系統(tǒng)采用完全自由免費(fèi)，基于社區(qū)支持的Ubuntu 8.04操作系統(tǒng)，采用Qt4作為開發(fā)庫(kù)，結(jié)合它特有的信號(hào)與槽機(jī)制，通過面向?qū)ο蟮木幊谭椒▽?shí)現(xiàn)軟件功能。Qt下所編制的類之間通過信號(hào)進(jìn)行彼此通信，通過編制槽函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)的處理，同一個(gè)信號(hào)可以由不同的槽函數(shù)進(jìn)行處理，同一槽函數(shù)也可以用來處理不同的信號(hào)，應(yīng)用起來非常靈活。在具體軟件編制中，可以通過采用面向?qū)ο笾械睦^承方式來復(fù)用Qt庫(kù)中現(xiàn)有的類，加上QObject宏定義即可使自定義的對(duì)象具有消息處理能力，只要利用connect函數(shù)即可進(jìn)行信號(hào)與槽函數(shù)的連接。

由于主控程序要用到多臺(tái)電機(jī)(目前為6臺(tái))，因此必須利用主控上的PCI拓展插槽安裝多串口卡拓展串口資源，實(shí)驗(yàn)中采用MOXA轉(zhuǎn)換卡，并在Linux下安裝它相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，總共拓展8個(gè)串口資源。

2.2 整個(gè)系統(tǒng)的通信協(xié)議

為實(shí)現(xiàn)模塊化的要求，用戶界面與主控程序、底層電機(jī)控制分別作為獨(dú)立的應(yīng)用程序運(yùn)行，模塊之間通過TCP/IP協(xié)議簇的UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議)進(jìn)行通訊，此協(xié)議為輕量級(jí)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，非常適合實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性由自定義的上層協(xié)議實(shí)現(xiàn)(如表1)，數(shù)據(jù)段中都有標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)正常與否的標(biāo)志dflag,一旦檢測(cè)到異常，即丟棄數(shù)據(jù)。整個(gè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)屬于局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)情況好，數(shù)據(jù)出錯(cuò)的幾率非常低。網(wǎng)絡(luò)Qt庫(kù)中提供了QUdpSocket類來實(shí)現(xiàn)。通過定義相應(yīng)的對(duì)象，即可實(shí)現(xiàn)彼此之間數(shù)據(jù)的收發(fā)。主控程序發(fā)送給電機(jī)控制程序的數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)頭和命令字兩部分。數(shù)據(jù)頭標(biāo)識(shí)此數(shù)據(jù)來自主控程序，電機(jī)控制模塊若接收到事先約定好的正確的標(biāo)識(shí)數(shù)字即認(rèn)為此數(shù)據(jù)有效，進(jìn)而開始接收后面的數(shù)據(jù)。命令字針對(duì)所有電機(jī)的啟動(dòng)、關(guān)閉、置速，單個(gè)電機(jī)啟動(dòng)、關(guān)閉、置速都進(jìn)行了一一設(shè)定。

表1 主控模塊發(fā)送給電機(jī)模塊的協(xié)議數(shù)據(jù)組成Table 1 The protocol between control and motor modules

2.3 電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)控制模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)與底層硬件之間的接口部分，通過輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制索長(zhǎng)的目的，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)饋源倉(cāng)的牽動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)中，采用ABB ACS400系統(tǒng)變頻器控制。對(duì)于ABB公司的ACS400系列變頻器，其通訊方式為Modbus通訊協(xié)議。此協(xié)議在軟件實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵部分與難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)尾中CRC校驗(yàn)算法的實(shí)現(xiàn)。

表2 Modbus協(xié)議指令組成Table 2 The Modbus protocol

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)要求，電機(jī)控制模塊分為本地與網(wǎng)絡(luò)兩種模式。本地手動(dòng)模式，即直接通過軟件上的操作按鈕進(jìn)行電機(jī)控制，用于測(cè)試各個(gè)電機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)良好以及手動(dòng)調(diào)節(jié)單個(gè)索的長(zhǎng)度。網(wǎng)絡(luò)模式下，軟件上的各個(gè)按鈕皆不可用，此時(shí)整個(gè)程序只接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的主控程序模塊的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，用于實(shí)現(xiàn)饋源自動(dòng)控制，完成天文規(guī)劃的各種軌跡。

最底層的實(shí)現(xiàn)是利用串口通信。在Linux下對(duì)設(shè)備控制主要是針對(duì)設(shè)備文件讀寫，它本身自帶兩個(gè)串口文件ttyS0、ttyS1，本系統(tǒng)中通過多串口卡拓展出ttyM0～ttyM7共8個(gè)串口資源文件，為與電機(jī)控制軟件中其它類進(jìn)行交互，自行開發(fā)了串口類 QSearialPort，對(duì)于串口操作進(jìn)行了封閉，實(shí)現(xiàn)了打開串口、關(guān)閉串口、各設(shè)備寫數(shù)據(jù)等功能，最后實(shí)際測(cè)試結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)正常，達(dá)到了預(yù)期的目的。

電機(jī)模塊界面如圖3(圖左為本地模式，圖右為網(wǎng)絡(luò)模式，網(wǎng)絡(luò)模式下手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕皆不可用)。

圖3 電機(jī)控制模塊示意圖Fig.3 The motor-control module

2.4 主控算法模塊

作為系統(tǒng)的核心模塊，主控算法模塊的設(shè)計(jì)尤為重要。由于PID控制技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)非常成熟，故主控程序采用PID控制算法。同時(shí)由于系統(tǒng)的力學(xué)特性要求，加入輔助的力反饋，主要是為防止繩索虛牽和過載，實(shí)際編程中通過將力反饋數(shù)據(jù)乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，然后加入到最終輸出量(鋼索速度)上去。

圖4 位置反饋示意圖Fig.4 Illustration of the position feedback

主控程序以位置反饋為主，如圖4，Rci為測(cè)量位置，Rei為理論位置。各鋼索伸長(zhǎng)的速度由3組分量相加而成：V=VT+VFBL+VFBF

其中，V為輸出速度；VT為理論速度；VFBL為位置反饋速度分量；VFBF為力反饋速度分量。下面具體說明其計(jì)算方法。定義鋼索速度方向是伸長(zhǎng)為正。

(1)理論速度VT，是速度的主分量。已知當(dāng)前時(shí)刻和下一時(shí)刻虛擬下平臺(tái)中心的理論位置是Re0，Re1，以懸索弧線的弦為標(biāo)準(zhǔn)，就可以算出由Re0到Re1的索長(zhǎng)變化dL1，則理論速度為VT=dL1/h;

(2)位置反饋速度VFBL，這里采用比例、積分、微分反饋控制，并進(jìn)行了位置誤差預(yù)測(cè)。定義位置誤差為實(shí)際位置Rci與理論位置Rei之差。

位置反饋的反饋量定義為：

kp、ki和kd分別是比例反饋系數(shù)、積分反饋系數(shù)和微分反饋系數(shù)，其數(shù)值通過實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)確定；其中比例項(xiàng)采用下一時(shí)刻的誤差值，預(yù)測(cè)公式為：

所以：

由位置反饋量ui+1即可計(jì)算對(duì)應(yīng)的電機(jī)速度反饋量VFBF。

(3)力反饋速度VFBF，根據(jù)索中張力的理論值(期望值)和測(cè)量值，計(jì)算力反饋速度分量可利用

VFBF=kf*dF，dF即為理論與測(cè)量值之差,kf為力反饋系數(shù)。

主控模塊的輸入是系統(tǒng)的預(yù)期終點(diǎn)位置，控制策略(分為開環(huán)、加位置反饋和同時(shí)存在位置與力反饋3種)，所走軌跡(分直線，曲線)以及預(yù)期時(shí)間。這些量通過用戶界面的相應(yīng)控件取得用戶輸入傳給主控模塊。輸出則是各鋼索的速度，通過發(fā)送數(shù)據(jù)包給電機(jī)模塊從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

核心類模塊分別是軌跡控制類Tracing與控制算法類Ctrl, 前者用來規(guī)劃軌跡，后者則把軌跡通過PID算法轉(zhuǎn)化為鋼索的速度，發(fā)送給電機(jī)模塊。另外還需要一些輔助類，包括坐標(biāo)系統(tǒng)類和計(jì)時(shí)時(shí)鐘類。其中計(jì)時(shí)時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)比較關(guān)鍵。因?yàn)閷?duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，時(shí)間的設(shè)定是比較重要的。在Linux平臺(tái)下，要獲取當(dāng)?shù)亟^對(duì)時(shí)間，需要調(diào)動(dòng)底層的系統(tǒng)函數(shù)gettimeofday(timeval t, timezone tzone)來實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，通過封裝成類來實(shí)現(xiàn)絕對(duì)時(shí)間與相對(duì)時(shí)間的獲取，重點(diǎn)是相對(duì)時(shí)間，這樣從一個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始，經(jīng)過一個(gè)設(shè)定的時(shí)間段后，控制程序停止。時(shí)間精度要求在秒級(jí)即可，故而無需更高精度的時(shí)間設(shè)備。

2.5 意外處理

饋源支撐系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)電控制系統(tǒng)，由于涉及到電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行，因此有必要在軟件中加入相應(yīng)的意外處理，從而加強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的安全性與容錯(cuò)性。其中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速，鋼索的伸長(zhǎng)與收縮速度，鋼索應(yīng)力的大小是3個(gè)主要關(guān)心的安全指標(biāo)。針對(duì)它們，先將安全限位值寫入初始化文件，然后在程序運(yùn)行時(shí)讀取，每次控制過程中都檢測(cè)是否超過限位值，否則拒絕執(zhí)行后續(xù)步驟，從而達(dá)到安全的目的。

(1)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須小于預(yù)先設(shè)定的限位值m_vmax，如果超過此值，則拒絕向變頻器發(fā)送相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。程序直接返回。此項(xiàng)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中實(shí)現(xiàn)。

(2)鋼索的速度必須小于安全限位值。用戶輸入期望目標(biāo)點(diǎn)與所用時(shí)間后，若通過計(jì)算得出鋼索速度過大，則拒絕執(zhí)行，程序返回。此項(xiàng)在主控算法中實(shí)現(xiàn)。

(3)力數(shù)據(jù)若大于限位值則報(bào)警，程序返回。此項(xiàng)在主控算法中實(shí)現(xiàn)。

2.6 用戶界面設(shè)計(jì)

用戶界面分為用戶輸入部分和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示部分。前者將用戶輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過適當(dāng)?shù)母袷睫D(zhuǎn)換，傳入主控算法模塊，后者則實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行的信息，以備用戶參考之用。其中實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)是通過設(shè)置定時(shí)器，每隔一定時(shí)間間隔刷新一次，用到了QTimer類。輸入輸出主要界面類有 QDialog, QPushButton, QLineEdit, QLabel, QRadioButton,QGroupBox。

主控制用戶界面如圖5。其中左邊部分為控制設(shè)置，包括目標(biāo)點(diǎn)位置，時(shí)間設(shè)置，控制策略選擇。信息提示是在初步填入數(shù)據(jù)后計(jì)算一下倉(cāng)運(yùn)行的理論速度，如數(shù)量過大則重新輸入?yún)?shù)，否則會(huì)破壞系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。右邊部分為運(yùn)行狀態(tài)信息。

3 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試結(jié)果

首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建上位機(jī)+ABB變頻器+交流電機(jī)的系統(tǒng)，在上位機(jī)上編制控制軟件，進(jìn)行測(cè)試，其中用軟件方式仿真了測(cè)量數(shù)據(jù)。繼而在FAST密云50m模型實(shí)地進(jìn)行測(cè)試。上述測(cè)試表明：主控算法模塊與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊能夠正常通信，各索速度在合理范圍之內(nèi)。該控制軟件能夠完成預(yù)定的功能和任務(wù)。

圖6 Ubuntu Linux下主控程序運(yùn)行時(shí)圖及終端窗口下的索長(zhǎng)數(shù)據(jù)滾動(dòng)顯示Fig.6 The running status of the software and the data of the velocities of the cables

4 結(jié)束語

面向FAST饋源運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研制，基于Ubuntu Linux開發(fā)平臺(tái)，利用Qt4開發(fā)工具，對(duì)饋源運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)，對(duì)于檢驗(yàn)?zāi)壳梆佋茨Ｐ偷倪\(yùn)動(dòng)，測(cè)試控制算法和為以后進(jìn)一步開發(fā)饋源支撐的控制系統(tǒng)提供了依據(jù)和基礎(chǔ)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

致謝:感謝國(guó)家天文臺(tái)張蜀新老師的幫助和建議。

[1] Nan R D, Peng B.A Chinese concept for the 1 km2radio telescope[J].Acta Astronautica, 2000, 46(10～12):667-675.

[2] 南仁東.500m球面反射面射電望遠(yuǎn)鏡FAST[J].中國(guó)科學(xué)(G輯)，2005，35(5):449-466.

[3] Qiu Y H.A novel design for a giant Arecibo-type spherical radio telescope with an active main reflector[J]. MNRAS, 1998, 301:827-830.

[4] Ren G X, Lu Q H, Zhou Z.On the cable car feed support configuration for FAST[J].Ap&SS, 2001, 278(1):243-247.

[5] Duan B Y, Xu G H, Wang J L.Integrated Optimum Design of Mechanical and Electronic Technologies for Antenna Structural System[C]//Strom R G, Peng B, Nan R D, eds.Proceedings of the LTWG-3&W-SRT.1995, Beijing:IAP, 1996：144-151.

[6] Zhu B, Nie Y, Nan R ,et al.The FAST/SKA site selection in Guizhou Province[J].Ap&SS, 2001, 278(1):213.

[7] 朱文白.FAST望遠(yuǎn)鏡天文規(guī)劃和饋源支撐的相關(guān)研究[D].中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái),2006.

[8] 米建偉, 段寶巖, 陳光達(dá)，等.大射電望遠(yuǎn)鏡艙索粗調(diào)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2004,20(2):42-45.

[9] 路英杰.大射電望遠(yuǎn)鏡饋源支撐系統(tǒng)定位與指向控制研究[D].清華大學(xué), 2007.

[10] C++ GUI Programming with Qt 4, Second Edition Jasmin Blanchette, Mark Summerfield, Prentice Hall, 2006.