茅德旺 張 凱 劉 琴 朱新勃

(1.西安電子工程研究所 西安 710100； 2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所 西安 710065)

0 引言

位標(biāo)器位于導(dǎo)引頭最前端，主要功能是隔離彈體擾動(dòng)，為導(dǎo)彈比例導(dǎo)引提供準(zhǔn)確的末制導(dǎo)信息，因此位標(biāo)器控制系統(tǒng)必須具有良好的動(dòng)態(tài)性能。位標(biāo)器控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期一般較長(zhǎng)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在進(jìn)行算法設(shè)計(jì)之后需要手動(dòng)編程將正確的代碼置于控制器內(nèi)執(zhí)行，整個(gè)過(guò)程涉及軟件編寫及調(diào)試，較為耗時(shí)。本文利用NI控制卡搭建的半實(shí)物仿真平臺(tái)是一個(gè)基于Simulink的自動(dòng)代碼生成環(huán)境，可以使數(shù)學(xué)模型建立不準(zhǔn)確的實(shí)際控制對(duì)象接入仿真平臺(tái)，使得仿真結(jié)果更加具有實(shí)用性，它能夠快速對(duì)控制效果進(jìn)行測(cè)試，方便不同控制算法的對(duì)比分析，可以有效縮短位標(biāo)器控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期[1-2]。

1 位標(biāo)器工作原理及系統(tǒng)組成

分析位標(biāo)器工作過(guò)程可知[3-4]，其工作模式主要為置位模式和跟蹤模式。置位模式即根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的基座角度指令實(shí)現(xiàn)天線的快速置位；跟蹤模式即根據(jù)上位機(jī)提供的角誤差信息完成閉環(huán)跟蹤，并隔離彈體擾動(dòng)[5-6]。為實(shí)現(xiàn)上述功能，本文設(shè)計(jì)的弧齒型位標(biāo)器采用方位/俯仰兩自由度結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 方位自由度示意圖

圖2 俯仰自由度示意圖

圖1中方位框架為內(nèi)框架，圖2中俯仰框架為外框架，通過(guò)軸承連接在一起，框架之間可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)。除結(jié)構(gòu)框架之外，位標(biāo)器系統(tǒng)還有兩軸速率陀螺儀、直流力矩電機(jī)、角位置傳感器、光電傳感器等。

2 半實(shí)物仿真平臺(tái)搭建

2.1 系統(tǒng)框架

半實(shí)物仿真系統(tǒng)屬于虛實(shí)結(jié)合的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，在仿真回路中加入部分硬件設(shè)備構(gòu)成半實(shí)物仿真環(huán)境。本文所搭建的半實(shí)物仿真平臺(tái)由控制及采集系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)、性能評(píng)估等組成，具備數(shù)字I/O、模擬量輸入/輸出、功率放大、多種通訊接口等，系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 半實(shí)物仿真平臺(tái)系統(tǒng)組成

圖3中仿真系統(tǒng)用于完成位標(biāo)器伺服系統(tǒng)的算法驗(yàn)證，可利用Simulink軟件，搭建伺服系統(tǒng)仿真模型，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)?？刂萍安杉到y(tǒng)用于完成位標(biāo)器伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)、控制及傳感器信號(hào)的采集，可方便得到被控對(duì)象的工作電流、速度和角位置等信息。性能評(píng)估系統(tǒng)用于完成伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)測(cè)試、評(píng)估和人機(jī)交互，可實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在線監(jiān)控，并與需求值進(jìn)行比較。

2.2 主要接口

2.2.1 仿真機(jī)

仿真機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)載體，運(yùn)行著軟件系統(tǒng)生成的實(shí)時(shí)仿真代碼，并為監(jiān)控界面提供所需的反饋信息，通過(guò)I/O端口訪問(wèn)和A/D信息采集，使模型算法與實(shí)物設(shè)備構(gòu)成閉環(huán)。本文仿真機(jī)通過(guò)總線機(jī)箱將各功能板卡集成在一起，如圖4所示。圖中機(jī)箱選用NI-PXI-1042，具備8槽PXI總線接口，功能板卡主要有控制器卡、多功能IO卡、D/A板卡、CAN通訊板卡和串口板卡等。

圖4 仿真機(jī)外形圖

2.2.2 H橋驅(qū)動(dòng)板

驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)由雙臂H橋電路、高功率驅(qū)動(dòng)芯片IR2132S及其自舉電路、濾波電路等組成如圖5所示；圖中4只MOSFET功率開(kāi)關(guān)IRFR3412PbF組成H橋電路，根據(jù)PWM信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，28V供電，最大輸出電流6A，具備電流采樣、過(guò)流保護(hù)等功能。濾波電路用于提高功率因數(shù)，改善驅(qū)動(dòng)電路的電氣特性，提高控制器的可靠性。

圖5 H橋驅(qū)動(dòng)板

2.2.3 通訊模塊

除了A/D和D/A功能外，本文設(shè)計(jì)了專用通訊模塊，預(yù)留有SPI接口和SSI接口等，用于將陀螺速度信息和其他光電傳感器信息接入仿真機(jī)模型中，其中利用ADM2682EBRIZ設(shè)計(jì)的SSI通訊接口如圖6所示。

圖6 SSI通訊接口

3 半實(shí)物仿真平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

本文利用Matlab的RTW(Real-time Workshop)模塊進(jìn)行仿真軟件設(shè)計(jì)，它是一個(gè)基于Simulink的自動(dòng)代碼生成環(huán)境，可根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)配置自動(dòng)生成多種環(huán)境下的優(yōu)化的、可移植的和個(gè)性化的可執(zhí)行C/C++代碼，該代碼可在PC機(jī)、DSP以及商業(yè)化實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等環(huán)境下運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)仿真示意圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)仿真示意圖

為了將陀螺和其他傳感器信息與仿真機(jī)內(nèi)核中Simulink環(huán)境無(wú)縫銜接，需要安裝通用I/O板卡圖形化驅(qū)動(dòng)軟件包，該軟件包提供通用I/O板卡驅(qū)動(dòng)，包括模擬輸入板卡、模擬輸出板卡、數(shù)字輸入輸出板卡以及多功能定時(shí)器板卡，各板卡輸入輸出接口經(jīng)封裝為Simulink模塊庫(kù)如圖8所示。除了通用I/O接口模塊，本文還設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了雙直流電機(jī)控制板卡，其中PWM模塊用于產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)的PWM控制信號(hào)，對(duì)應(yīng)的Simulink接口模塊如圖9所示。

圖8 I/O板卡Simulink模塊庫(kù)

圖9 PWM Simulink模塊庫(kù)

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

為便于對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行綜合管理，上位機(jī)監(jiān)控界面需要能夠訪問(wèn)設(shè)備上運(yùn)行的實(shí)時(shí)仿真程序并在線調(diào)試、監(jiān)控、采集計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。因此，本文編寫的上位機(jī)界面如圖10所示，它不僅可以方便快捷的控制下位機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型加載、啟動(dòng)、停止，實(shí)現(xiàn)仿真參數(shù)的在線調(diào)整，也能以動(dòng)畫、圖表、曲線和虛擬面板的形式顯示和存儲(chǔ)仿真數(shù)據(jù)，完成測(cè)試所需功能。

圖10 上位機(jī)監(jiān)控界面

4 位標(biāo)器半實(shí)物仿真測(cè)試

4.1 位標(biāo)器控制系統(tǒng)

本文根據(jù)位標(biāo)器伺服平臺(tái)的工作原理及性能要求，采用板卡驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)控制模型與外部接口的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)J38LYX010型直流力矩電機(jī)的閉環(huán)控制，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 位標(biāo)器控制系統(tǒng)框圖

圖11中位標(biāo)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，電流環(huán)與速度環(huán)屬于伺服系統(tǒng)的內(nèi)部雙閉環(huán)，通過(guò)提高電流的穩(wěn)定性和XK109C型光纖速率陀螺的反饋精度來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的剛度，達(dá)到抑制系統(tǒng)的非線性及外部擾動(dòng)的目的。外環(huán)主要是敏感目標(biāo)軸和視軸之間的夾角，通過(guò)外環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)視軸和目標(biāo)軸之間的角度誤差的控制，用來(lái)保證控制系統(tǒng)的精度。文中選用WR2001型電位計(jì)作為測(cè)角單元，它比一般光電碼盤、同步機(jī)測(cè)角元件體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高。

4.2 閉環(huán)PID控制仿真測(cè)試

本文位標(biāo)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為圖11所示的三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，兩個(gè)電機(jī)的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)均采用經(jīng)典PID控制器，其基本組成及Simulink模型如圖12所示。該控制器由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。r_reference為設(shè)定值，r_back為傳感器測(cè)量的反饋值，u為經(jīng)PID控制器計(jì)算后的控制量。

圖12 PID控制原理框圖及模型

使用PID控制器建立位標(biāo)器三閉環(huán)控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型如圖13所示，設(shè)定目標(biāo)指令，并且將位標(biāo)器實(shí)際位置、轉(zhuǎn)速、電流信息通過(guò)個(gè)板卡采集，經(jīng)閉環(huán)控制器Controller計(jì)算得到實(shí)際PWM占空比，再經(jīng)PWM輸出板卡將PWM輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，從而實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的半實(shí)物仿真。

圖13 伺服控制算法模型示意圖

圖13中DAQ是封裝后的信息采集模塊，包含A/D模擬量采集和SPI通訊接口，通過(guò)該模塊可得位標(biāo)器的電機(jī)電流，陀螺速度以及電位計(jì)的角度信息。Actual_i和Actual_i1為兩個(gè)軸的電機(jī)電流反饋，Actual_n和Actual_n1為兩個(gè)軸的速度反饋，Actual_position和Actual_position1為兩個(gè)軸的位置反饋?？刂破鰿ontroller包含位置環(huán)PID控制器，速度環(huán)PID控制器以及電流環(huán)PID控制器，PWM_duty1和PWM_duty2分別為經(jīng)控制器Controller計(jì)算得到的PWM控制信號(hào)。利用該仿真模型，不斷調(diào)節(jié)控制器中的PID參數(shù)來(lái)優(yōu)化控制算法，最終得到的控制器參數(shù)如表1所示。

表1 經(jīng)仿真優(yōu)化的PID控制器參數(shù)

該控制參數(shù)下，分別以-1°到5°的階躍信號(hào)和頻率為0.5Hz，幅值為3°的正弦信號(hào)為目標(biāo)位置輸入信號(hào)，通過(guò)仿真機(jī)I/O板卡獲取不同仿真條件下，位標(biāo)器方位軸的位置變化曲線如圖14至圖16所示。分析階躍響應(yīng)曲線如圖14可知，系統(tǒng)能夠快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)時(shí)間小于0.2s，且無(wú)超調(diào)，穩(wěn)態(tài)誤差較小；分析正弦跟隨曲線(圖15)和誤差曲線(圖16)可知，正弦跟隨試驗(yàn)中，系統(tǒng)可以很好地跟隨目標(biāo)位置，最大跟隨誤差為±0.5°。因此，本文所建立的控制系統(tǒng)具有較好的位置穩(wěn)定精度和響應(yīng)速度。

圖14 位置階躍響應(yīng)曲線

圖15 位置正弦跟隨曲線

圖16 正弦跟隨誤差曲線

除了具備較好的置位精度外，位標(biāo)器控制系統(tǒng)還需具備較好的穩(wěn)速功能，因此分別給定位標(biāo)器方位軸±1°/s和±4°/s的速度輸入指令，通過(guò)仿真機(jī)SPI通訊接口獲取方位軸速度隨時(shí)間變化曲線如圖17和圖18所示。分析圖17速度階躍響應(yīng)曲線可知，系統(tǒng)上升時(shí)間小于0.2s，且無(wú)超調(diào)，靜態(tài)誤差較小。分析圖18方波跟隨曲線可知，系統(tǒng)能很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，超調(diào)較小。因此，本文基于XK109C型光纖速率陀螺所搭建的位標(biāo)器系統(tǒng)速度穩(wěn)定，靜態(tài)誤差小。

圖17 ±1°/s速度階躍響應(yīng)曲線

圖18 ±4°/速度方波跟隨曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了弧齒型位標(biāo)器的工作原理和基本組成，并利用NI控制卡搭建了半實(shí)物仿真平臺(tái)，基于該平臺(tái)初步對(duì)弧齒型位標(biāo)器閉環(huán)PID控制進(jìn)行仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明使用該方法設(shè)計(jì)的位標(biāo)器系統(tǒng)具有較高的控制精度，而且明顯縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，后續(xù)可利用該平臺(tái)針對(duì)位標(biāo)器控制系統(tǒng)做進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。