李愛萍,范文晶,丁小芩,魯勇軍

(上海機電工程研究所，上海,201109)

0　引　言

隨動系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)，是一門機械、電力電子、控制和信息技術(shù)相結(jié)合的交叉學科。它是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標的任意變化而變化的自動控制系統(tǒng)，其主要任務(wù)是按控制命令的要求對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制更加靈活方便[1,2]。

具體到導(dǎo)彈發(fā)射裝置而言，隨動系統(tǒng)是指計算機按照上級系統(tǒng)的指令控制導(dǎo)彈發(fā)射裝置在方位及高低兩個方向轉(zhuǎn)動，使其實時指向目標位置，而且系統(tǒng)的靜態(tài)及動態(tài)跟蹤誤差滿足上級系統(tǒng)的要求。本文基于PowerPC計算機平臺，設(shè)計了某導(dǎo)彈發(fā)射裝置的隨動控制系統(tǒng)，采用基于經(jīng)典PID的復(fù)合智能控制方法，并融入了粒子群算法。驗證表明,最終的隨動控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)，靜態(tài)及動態(tài)跟蹤誤差滿足武器系統(tǒng)要求，并實現(xiàn)了參數(shù)自整定功能。

1　隨動系統(tǒng)總體設(shè)計

隨動系統(tǒng)由PowerPC控制器、信號控制單元、傳動系統(tǒng)、電機、位置采集傳感器及控制軟件組成，控制對象為導(dǎo)彈發(fā)射裝置。隨動系統(tǒng)總體框圖見圖1。

PowerPC控制器是隨動系統(tǒng)的控制中心，控制器中的處理器作為控制軟件的運行載體?？刂破魍ㄟ^CAN通訊接口接收上級系統(tǒng)的指令信息和發(fā)射裝置的位置信息，對控制量進行計算，并對隨動系統(tǒng)各項功能進行調(diào)度處理；位置傳感器通過CAN通訊接口與控制器進行通訊，傳輸發(fā)射裝置的位置信息；隨動控制軟件中采用了智能控制算法，通過控制器進行軟件運行及控制量計算后，經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換板將控制信號轉(zhuǎn)換成模擬量控制電機進行轉(zhuǎn)動；信號檢測單元則用于對發(fā)射裝置的限位等安全信號進行采集，為控制軟件的安全性設(shè)計提供數(shù)據(jù)來源。本文將重點介紹PowerPC控制器及控制軟件的設(shè)計。

圖1　隨動系統(tǒng)總體框圖Fig.1　Servo-system general diagram

2　PowerPC控制器設(shè)計

為了促進軟件架構(gòu)思想在隨動控制軟件中的應(yīng)用，需要選用一款可以運行操作系統(tǒng)的處理器。兼顧到成本及性能，選擇了PowerPC處理器。PowerPC處理器是一種RISC架構(gòu)的CPU，它具有優(yōu)異的性能、較低的能量損耗以及較低的散熱量，因此在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中表現(xiàn)優(yōu)異。

該系統(tǒng)中選用了飛思卡爾半導(dǎo)體公司的通用多核處理器MPC5121e。該處理器運用了先進的90 nm低功耗CMOS技術(shù)，主頻400 MHz，提供760 MIPS用戶可編程的32位RISC核心，內(nèi)存為512 MB的SDRAM，并提供了片上128 kB SRAM，集成有四個CAN通訊模塊和USB接口，+5 V電源供電，且功耗小于1.5 W。

另外，在MPC5121e處理器的外圍擴展了16 MB FLASH、128 kB NVRAM和板載2 GB單芯片電子盤。128 kB的NVRAM可以在系統(tǒng)掉電的瞬間將重要的數(shù)據(jù)及時保存到自身的FLASH空間;16 MB FLASH可以用于保存應(yīng)用程序和用戶的重要數(shù)據(jù)，可通過硬件保護措施防止FLASH上的數(shù)據(jù)被破壞。另外提供大容量的電子盤來備份和保存用戶的數(shù)據(jù)信息，各種存儲方式的設(shè)置為系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)存儲提供了多種選擇。

具體到本系統(tǒng)而言，NVRAM用于存儲配置文件中的重要信息，如控制算法中的各項控制參數(shù)、角編碼器的初始值及限位角度等；FLASH用于存儲控制程序；2 GB的電子盤用于存儲隨動系統(tǒng)與上級系統(tǒng)之間的通訊報文。PowerPC處理器系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2　PowerPC處理器Fig.2　PowerPC processor

3　控制算法建模及仿真

在控制系統(tǒng)的硬件組成確認之后，對控制系統(tǒng)進行了仿真模型的搭建。選用基于經(jīng)典PID的復(fù)合智能控制方法，并對隨動控制算法進行了仿真。

3.1　初步仿真結(jié)果

根據(jù)隨動系統(tǒng)中選擇的電機及驅(qū)動器參數(shù)建立了一套仿真模型結(jié)構(gòu)，本文主要介紹方位系統(tǒng)的仿真。仿真采用Matlab軟件完成，基本仿真結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中電機模型選用交流電機模型，并建立了位置閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。采用PID加前饋的控制算法完成系統(tǒng)的仿真調(diào)試[3-5]。

在仿真結(jié)構(gòu)圖完成后，對運行90°調(diào)轉(zhuǎn)指令、等速信號及正弦信號進行了初步仿真，并得到了具體的誤差曲線。由于選擇的電機未限速，因此系統(tǒng)調(diào)轉(zhuǎn)90°在2.3 s左右即完成。

圖3　Matlab搭建的隨動系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Servo-system simulation structure chart by Matlab

3.2　位置環(huán)控制整定過程

在初步仿真完成后，基于工程法對位置環(huán)控制器中的控制參量進行了設(shè)計，并將設(shè)計結(jié)果作為待整定參量的初始值。參數(shù)確定的主體思想是先將位置環(huán)校正為臨界阻尼或接近臨界阻尼的二階系統(tǒng)，從而確定

出位置環(huán)的比例增益值。然后引入前饋補償，調(diào)節(jié)參數(shù)使得系統(tǒng)的跟蹤誤差趨近于零，從而確定前饋補償量。

將整定出來的控制參數(shù)設(shè)置到控制器中，使系統(tǒng)分別跟蹤階躍信號、等速信號以及正弦信號，仍采用之前的方位系統(tǒng)仿真模型，在Matlab中的仿真結(jié)果如圖4—圖6所示。

圖4　方位階躍響應(yīng)仿真結(jié)果Fig.4　Step simulation response for azimuth

圖5　等速響應(yīng)仿真結(jié)果Fig.5　Constant speed tracking simulation response for azimuth

圖6　正弦響應(yīng)仿真結(jié)果Fig.6　Sine tracking simulation response for azimuth

圖4(a)為系統(tǒng)在跟蹤幅值為90°階躍信號時的響應(yīng)曲線，圖4(b)為跟蹤誤差曲線。通過圖4(b)可知系統(tǒng)的響應(yīng)時間在2.3 s時，系統(tǒng)靜態(tài)誤差為0.03°。跟蹤效果滿足系統(tǒng)對階躍響應(yīng)時間不大于3 s、靜態(tài)誤差不大于0.05°的指標要求。由于圖幅大小有限，圖4(a)中的指令與響應(yīng)曲線幾乎重疊在一起，具體誤差值參見圖4(b)。

由圖5可知，系統(tǒng)在跟蹤20 (°)/s的等速信號時，系統(tǒng)的跟蹤誤差也在0.05°以內(nèi)，滿足系統(tǒng)對等速跟蹤誤差不大于0.15°的指標要求。由于圖幅大小有限，圖5(a)中的指令與響應(yīng)曲線幾乎重疊在一起，具體誤差值參見圖5(b)。

由圖6可知，系統(tǒng)在響應(yīng)幅值為40°，周期為6.28 s的正弦信號時，系統(tǒng)的跟蹤誤差為0.08°，能夠滿足系統(tǒng)對正弦跟蹤誤差不大于0.15°的指標要求。由于圖幅大小有限，圖6(a)中的指令與響應(yīng)曲線幾乎重疊在一起，具體誤差值參見圖6(b)。

3.3　參數(shù)自整定功能的實現(xiàn)

為了確保當目標以不同的角速度和角加速度進入時，或由于導(dǎo)彈發(fā)射前后轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)動慣量改變的條件下，可自適應(yīng)調(diào)整隨動系統(tǒng)控制參數(shù)，減少隨動系統(tǒng)的動態(tài)滯后，提高隨動系統(tǒng)的跟蹤精度，隨動控制算法中融入了粒子群算法,以提高隨動系統(tǒng)的參數(shù)自適應(yīng)能力。

標準粒子群算法可以理解成鳥群尋找食物的過程，每一只鳥是一個粒子，也代表所要求解問題的可能解。每只鳥知道當前離食物最近的鳥與食物間的距離，然后根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)求得自己的適應(yīng)度值，并根據(jù)速度和位置更新公式不停地更新自己的位置，追隨當前離食物最近的鳥。經(jīng)過一段時間的尋找，鳥群聚成一群并找到食物，即求得問題的解。

以標準粒子群算法作為控制算法的理論基礎(chǔ)，通過多次運行階躍、等速及正弦曲線，在原有PID控制參數(shù)的基礎(chǔ)上進行多極值優(yōu)化，最終取得更接近理論極值的最優(yōu)結(jié)果。

4　隨動控制軟件設(shè)計

在隨動控制算法確定之后，開展了隨動控制軟件的設(shè)計工作,隨動控制軟件的工作流程如圖7所示。其工作過程是通過與上位機的通訊，接收上位機的指令及目標位置信息，實時讀取角度位置傳感器的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對不同任務(wù)類型的控制和目標指向數(shù)據(jù)的平滑處理，并實時向上位機返回工作狀態(tài)和參數(shù)。同時，根據(jù)目標參數(shù)和發(fā)射裝置當前位置值計算得到電機控制量并通過D/A板將該控制量轉(zhuǎn)換成模擬電壓后實現(xiàn)對電機驅(qū)動器的控制，從而實現(xiàn)隨動控制系統(tǒng)對目標的自動跟蹤。

圖7　隨動控制軟件流程圖Fig.7　Servo control software flow diagram

具體工作流程為：

1) 初始化及自檢處理模塊：包括PowerPC控制器相關(guān)存儲器、定時器、CAN通訊口及相關(guān)寄存器的初始化。

2) 中斷響應(yīng)處理：在中斷響應(yīng)程序中接收上位機及位置傳感器的CAN通訊數(shù)據(jù)。

3) 隨動控制處理：對接收到的報文進行拉格朗日數(shù)據(jù)濾波處理。在算法設(shè)計時采用復(fù)合智能控制方法，并采用切比雪夫濾波器對發(fā)射系統(tǒng)姿態(tài)信息進行濾波，最大程度上抑制了各種非線性因素對系統(tǒng)的影響，具有較強的魯棒性。

5　隨動系統(tǒng)控制效果

經(jīng)過前期的調(diào)試，隨動系統(tǒng)的運行效果最終滿足了系統(tǒng)的要求，其靜態(tài)誤差小于0.05°，動態(tài)跟蹤誤差小于0.15°，運行效果理想。圖8—圖10是隨動系統(tǒng)在進行正弦運動、階躍運動及等速運動時的波形效果圖。

圖8　方位方向正弦運行波形圖Fig.8　Sine tracking curve for azimuth

圖9　方位方向階躍運動波形圖Fig.9　Step curve for azimuth

圖10　等速運動波形圖Fig.10　Constant speed tracking curve for azimuth

參數(shù)自整定算法設(shè)計完成之后，在隨動系統(tǒng)模擬縮比臺上進行了算法的驗證。通過調(diào)試，最終在3次迭代之后可以成功獲取PID及前饋等各項控制參數(shù)。

隨動控制軟件采用新獲取到的各項參數(shù)，方位方向隨動跟蹤誤差在0.1°以內(nèi)，高低方向跟蹤誤差在0.08°以內(nèi)，滿足武器系統(tǒng)動態(tài)跟蹤誤差不大于0.15°的要求。

6　結(jié)束語

本文對一型基于PowerPC平臺的隨動系統(tǒng)的硬件組成、隨動控制算法仿真、參數(shù)自整定功能的實現(xiàn)、軟件研制流程及控制效果進行了詳細的介紹，最終的運行效果表明該系統(tǒng)中采用的硬件控制電路及復(fù)合智能控制算法是有效的，該文對其他隨動系統(tǒng)的設(shè)計研制具有一定的參考和借鑒意義。