朱 川，于雅莉，王 珍

（1.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210；2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

三軸轉(zhuǎn)臺是一種高性能的半實(shí)物仿真測試設(shè)備，作為慣性元件的物理激勵設(shè)備，在航空航天等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用，對航空航天器、導(dǎo)彈等的研制具有十分重要的作用。隨著航空航天的高速發(fā)展，對慣性元件的精度要求不斷提高，因此對三軸轉(zhuǎn)臺的安裝精度、控制精度、動態(tài)跟隨特性以及響應(yīng)速度都提出了很高的要求，為傳統(tǒng)三軸轉(zhuǎn)臺的研制帶來了困難［1］。

目前，對三軸轉(zhuǎn)臺的研究主要集中在幾個方面：1）角位置和角速度測量精度；2）帶寬擴(kuò)展；3）低速性能問題；4）各框架間的動力學(xué)耦合；5）轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化。

圍繞以上問題，學(xué)者對三軸轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)、控制、動態(tài)特性進(jìn)行了一系列研究［2］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，基于數(shù)字模型的實(shí)時仿真越來越多的應(yīng)用到各個行業(yè)。在此基礎(chǔ)上，本文提出了基于數(shù)字模型的虛擬三軸轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)，并結(jié)合相關(guān)硬件進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

1 虛擬三軸轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)方案

1.1 方案設(shè)計(jì)

虛擬三軸轉(zhuǎn)臺由動力學(xué)模型和相應(yīng)的硬件兩部分組成，動力學(xué)模型包括轉(zhuǎn)臺的本體模型和控制模型。虛擬三軸轉(zhuǎn)臺的動力學(xué)模型主要采用Adams和Matlab/Simulink軟件構(gòu)建，根據(jù)三軸轉(zhuǎn)臺物理參數(shù)建立三軸轉(zhuǎn)臺的三維模型，通過軟件接口將三維模型導(dǎo)入Adams中并且設(shè)置邊界條件及變量，在Matlab/Simulink中搭建控制模型對三軸轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動進(jìn)行控制［3］。在Matlab/Simulink中完成虛擬三軸轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動調(diào)試后，通過RTW編譯生成下位機(jī)可運(yùn)行的代碼，調(diào)動相關(guān)硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)與外部的信號交互，具體方案如圖1所示。

1.2 RTW功能介紹

RTW是MATLAB圖形間建模和仿真環(huán)境Simulink的一個重要的補(bǔ)充功能模塊，提供了一個實(shí)時的開發(fā)環(huán)境，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到硬件實(shí)現(xiàn)的直接途徑。使用RTW進(jìn)行實(shí)時硬件的設(shè)計(jì)測試，用戶可以縮短開發(fā)周期，降低成本［4］。RTW具有如下重要特征：1）基于Simulink模型的代碼生成器，可生成優(yōu)化和個性化的嵌入式代碼和快速原型化代碼；2）通過Simulink的外部模式調(diào)節(jié)代碼，并對代碼的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控；3）支持多目標(biāo)環(huán)境；4）擴(kuò)展的程序創(chuàng)建過程允許使用其他類型的嵌入式編譯器和鏈接器與RTW結(jié)合使用。

圖1 虛擬三軸轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)方案

2 模型構(gòu)建

2.1 本體模型

三軸轉(zhuǎn)臺主要由機(jī)械臺體（含驅(qū)動電機(jī)、傳感器、滑環(huán)等硬件）、電氣控制系統(tǒng)（含控制器和檢測顯示設(shè)備的硬件和軟件）和負(fù)載安裝支架組成。三個相對轉(zhuǎn)動的框架（外框、中框、內(nèi)框）轉(zhuǎn)軸相互垂直，分別用來模擬飛行器的航向、俯仰和滾動運(yùn)動姿態(tài)。三軸轉(zhuǎn)臺的三個框架分別由相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動，通過對各個電機(jī)分別進(jìn)行控制，從而仿真飛行器的不同運(yùn)動姿態(tài)。

三軸轉(zhuǎn)臺的本體仿真模型包括臺體的三維模型和邊界約束等條件。根據(jù)三軸轉(zhuǎn)臺的物理參數(shù)，在三維建模軟件中構(gòu)建三軸轉(zhuǎn)臺的三維模型，如圖2所示。通過模型調(diào)用接口將建好的三維模型導(dǎo)入Adams中，并根據(jù)工程情況定義三軸轉(zhuǎn)臺的材料屬性、邊界約束和輸入輸出變量。根據(jù)三軸轉(zhuǎn)臺的工作情況，三軸轉(zhuǎn)臺底座與大地連接，內(nèi)、中、外三框分別施加旋轉(zhuǎn)約束。

圖2 三軸轉(zhuǎn)臺模型

2.2 控制模型

傳統(tǒng)的三軸轉(zhuǎn)臺內(nèi)、中、外三框分別由電機(jī)驅(qū)動，通過控制電樞兩端的電壓或繞組中電流的大小和方向，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的目的。傳統(tǒng)的三軸轉(zhuǎn)臺受限于電機(jī)的最大電流，往往給三軸轉(zhuǎn)臺的控制帶來限制。Adams與其他控制程序之間的數(shù)據(jù)交換是通過狀態(tài)變量實(shí)現(xiàn)的。狀態(tài)變量在計(jì)算過程中是一個數(shù)組，它包含一系列的數(shù)值。用于輸入輸出的狀態(tài)變量一般是系統(tǒng)模型元素的函數(shù)，本文中，定義三軸轉(zhuǎn)臺的角位移、角速度為輸出變量，理想的角位移輸入信號為輸入變量。在Adams中創(chuàng)建輸入、輸出變量，通過Control模塊將三軸轉(zhuǎn)臺的動力學(xué)模型導(dǎo)出為Matlab/Simulink可調(diào)用的模塊，如圖3所示。

圖3 三軸轉(zhuǎn)臺動力學(xué)模型

在Simulink編程環(huán)境中，可以根據(jù)需求構(gòu)建不同的控制模型。在本文中，以簡單的PID控制模型為例，如圖4所示，通過比較輸入指令與虛擬三軸轉(zhuǎn)臺響應(yīng)曲線的一致性驗(yàn)證仿真平臺的動態(tài)跟隨特性。虛擬三軸轉(zhuǎn)臺的控制模型庫中可以存儲根據(jù)不同控制策略搭建的控制模型，在運(yùn)行時根據(jù)需求調(diào)用不同的控制模型。

圖4 三軸轉(zhuǎn)臺控制模型

3 軟硬件連接

3.1 目標(biāo)代碼生成

仿真模型在RTW環(huán)境下用xPC提供的程序創(chuàng)建生成C代碼，并對其編譯，鏈接生成可執(zhí)行應(yīng)用程序，實(shí)時仿真中運(yùn)行的xPC實(shí)時內(nèi)核自動將其下載到實(shí)時仿真機(jī)上進(jìn)行運(yùn)行［5］，如圖5所示。

圖5 可執(zhí)行程序生成

具體包括以下幾個步驟：

1）分析模型。RTW的程序創(chuàng)建過程首先從對Simulink模塊的分析開始，RTW首先讀取model.mdl模型文件并對其進(jìn)行編譯，形成模型的中間描述文件。該中間描述文件以ASCII碼的形式進(jìn)行存儲，其文件名為model.rtw，該文件是下一步驟的輸入信息。

2）由目標(biāo)語言編譯器（TLC）生成代碼。TLC讀取model.rtw文件，然后進(jìn)行編譯和執(zhí)行目標(biāo)文件中的命令，輸出C代碼，包括model.c、model.h、model_export.h等文件。

3）生成自定義的聯(lián)編文件。聯(lián)編文件用于指導(dǎo)聯(lián)編程序如何對從模型中生成的源代碼、主程序、庫文件或用戶提供的模型進(jìn)行編譯和鏈接。RTW復(fù)制system.tmf中的內(nèi)容，然后對描述模型配置的標(biāo)識符進(jìn)行擴(kuò)展，生成model.mk文件。

4）生成可移植C代碼。在RTW中生成可執(zhí)行程序是一個可選項(xiàng)，可以根據(jù)定制的目標(biāo)系統(tǒng)選擇是生成可執(zhí)行程序還是源代碼。本文根據(jù)選取的板卡，編寫接口程序C代碼后，通過CPU的C編譯器，將RTW生成的C代碼與硬件接口C代碼進(jìn)行編譯鏈接，生成可移植的C代碼。

5）檢驗(yàn)。將生成的可移植C代碼移植到目標(biāo)板上進(jìn)行檢驗(yàn)修改，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)。

RTW在代碼生成和程序創(chuàng)建過程中產(chǎn)生的主要文件如表1所示，每個文件都執(zhí)行了一定的功能。

表1 RTW代碼生成過程文件

3.2 硬件連接

三軸轉(zhuǎn)臺仿真設(shè)備主要由上位機(jī)、下位機(jī)（實(shí)時仿真機(jī)）、信號調(diào)理設(shè)備和A429仿真板卡等組成［6］。上位機(jī)采用高性能PC機(jī)，運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)，以Matlab/Simulink/RTW為平臺進(jìn)行軟件編譯運(yùn)行，用于參數(shù)在線配置、數(shù)據(jù)監(jiān)控、顯示和存儲。下位機(jī)采用PXI機(jī)箱，運(yùn)行生成的目標(biāo)代碼。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過TCP/IP形式建立通訊連接，下位機(jī)接受上位機(jī)對實(shí)時仿真的各種控制命令。A429仿真板卡提供實(shí)時A429信號的采集和發(fā)送功能，并實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的通信［7］。

4 結(jié)果驗(yàn)證

將三軸轉(zhuǎn)臺仿真結(jié)果與傳統(tǒng)三軸轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動進(jìn)行比較，以某型號三軸轉(zhuǎn)臺內(nèi)框運(yùn)動為例，轉(zhuǎn)臺內(nèi)框以正弦形式運(yùn)動，運(yùn)動幅值為20°，頻率為0.1 Hz。仿真得到的三軸轉(zhuǎn)臺內(nèi)框運(yùn)動角位移及角速率如圖6所示。

圖6 角位移和角速度仿真結(jié)果

從圖6可以看出，虛擬的三軸轉(zhuǎn)臺完全按照給定的正弦輸入進(jìn)行運(yùn)動，角位移與角速率相位相差90°，但是角速率曲線不是嚴(yán)格的余弦曲線，這是由于三軸轉(zhuǎn)臺耦合運(yùn)動產(chǎn)生的。將仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行比較，如圖7所示，通過圖7b可以看出三軸轉(zhuǎn)臺角位移的仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果具有相同的幅值和頻率，但是仿真結(jié)果比測試結(jié)果時間上提前0.056 s，相位提前2.02°，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的三軸轉(zhuǎn)臺在進(jìn)行動態(tài)信號跟隨時，自身慣性導(dǎo)致響應(yīng)滯后，而虛擬仿真轉(zhuǎn)臺具有更好的響應(yīng)速度。

圖7 角位移測試及仿真對比

5 結(jié)論

本文結(jié)合基于模型的設(shè)計(jì)方法和代碼生成技術(shù)，提出了基于Simulink/RTW的虛擬三軸轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)，并結(jié)合相關(guān)硬件進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。首先分別在Adams和Matlab/Simulink中構(gòu)建了三軸轉(zhuǎn)臺的本體模型和控制模型，并通過RTW自動生成可移植C代碼，結(jié)合硬件資源實(shí)現(xiàn)了與外部系統(tǒng)的信號交互?；跀?shù)字模型的虛擬仿真轉(zhuǎn)臺能夠更加精確地進(jìn)行轉(zhuǎn)臺內(nèi)、中、外框的安裝，保證三個軸線的垂直度和相交度。與傳統(tǒng)三軸轉(zhuǎn)臺相比，虛擬仿真轉(zhuǎn)臺具有更快的響應(yīng)速度，并且可以根據(jù)需求快速調(diào)整。但是文中沒有考慮環(huán)境模擬，后續(xù)將考慮干擾、裝配等對仿真轉(zhuǎn)臺的影響，根據(jù)先進(jìn)控制算法構(gòu)建模型，進(jìn)一步完善虛擬仿真轉(zhuǎn)臺。

參考文獻(xiàn)：

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