張 佳，賈文武

（1.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安710077；2.中國華陰兵器試驗中心，華陰714200）

經(jīng)緯儀是一種高精度的光學(xué)測量儀器，一般用于跟蹤導(dǎo)彈和飛行器的彈道。為了敏捷且精確地探測和跟蹤目標(biāo)，通常在經(jīng)緯儀上安裝光電跟蹤和瞄準(zhǔn)設(shè)備。經(jīng)緯儀作為現(xiàn)代射擊場最基本的光電測量儀器，廣泛用于軍事科學(xué)研究領(lǐng)域，如航空航天和武器試驗等。由于經(jīng)緯儀更換負載后，伺服系統(tǒng)各控制參數(shù)都要重新整定，而伺服系統(tǒng)的整定需要反復(fù)調(diào)試，不僅耗費大量的時間和精力，而且占用經(jīng)緯儀的使用時間，造成基于經(jīng)緯儀的各項任務(wù)進度延誤。

為解決伺服控制系統(tǒng)參數(shù)整定繁瑣的問題，可以通過建立經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)計算機模型的方法，將伺服系統(tǒng)參數(shù)整定的工作從實物轉(zhuǎn)移到計算機模型上來。其優(yōu)勢在于，一方面在計算機模型上進行參數(shù)整定而不占用經(jīng)緯儀的使用時間，另一方面利用計算機的運算能力來提高參數(shù)整定的效率。

在此，以某型經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)臺在負載變化時存在失穩(wěn)現(xiàn)象為研究背景，以建立經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)的計算機模型為目標(biāo)，討論通過多種手段采集經(jīng)緯儀運動參數(shù)，從而為最終建立經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)的計算機模型并實現(xiàn)在計算機模型上進行參數(shù)整定奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體概述

經(jīng)緯儀的伺服控制系統(tǒng)用于驅(qū)動經(jīng)緯儀本體及安裝于經(jīng)緯儀上的可見光、紅外相機和光學(xué)鏡頭等負載的運動。伺服控制系統(tǒng)的精度和性能直接決定了經(jīng)緯儀的跟蹤和探測技術(shù)指標(biāo)，因此經(jīng)緯儀的伺服控制系統(tǒng)是其關(guān)鍵組成部件之一。

通常，伺服控制系統(tǒng)通過控制器驅(qū)動經(jīng)緯儀運動，經(jīng)由編碼器反饋的位置、速度信息調(diào)整經(jīng)緯儀的運動狀態(tài)，構(gòu)成閉環(huán)反饋控制，從而實現(xiàn)實時高精度的跟蹤和探測。由此可知，為了保證經(jīng)緯儀達到最佳工作狀態(tài)，必須將伺服控制系統(tǒng)的各項閉環(huán)反饋控制參數(shù)整定至最優(yōu)。通過建立經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)計算機模型能夠更加便捷的對其進行參數(shù)整定。

目前，工程應(yīng)用中針對已有系統(tǒng)的建模方法主要是“灰箱建?！狈??；蚁浣７ㄊ且环N有效的工程系統(tǒng)建模法，它將機理建模法又稱“白箱建?！?，與實驗建模法又稱“黑箱建?！毕嘟Y(jié)合，互為補充。大部分工程應(yīng)用系統(tǒng)都屬于“灰箱”問題，通常情況下是對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有很多了解，因此可以推導(dǎo)出系統(tǒng)特定的數(shù)學(xué)模型[1]。對此，只要定階和確定模型中的參數(shù)就可以確定系統(tǒng)模型，使建模問題簡化為參數(shù)估計問題。有效的參數(shù)辨識策略有兩個方面：盡可能多地掌握系統(tǒng)的先驗知識，即盡可能地使系統(tǒng)“白化”；對依然“黑”的部分，對理論建模法不能確定的部分和參數(shù)，采用系統(tǒng)辨識方法。

在經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)中，由于經(jīng)緯儀平臺的驅(qū)動電機內(nèi)部電磁耦合和機械結(jié)構(gòu)引起的摩擦力等存在非線性關(guān)系，使用機理建模法得到的數(shù)學(xué)模型無法保證模型精度，因此需要采用實驗建模法來獲取非線性因素的數(shù)學(xué)模型。故在此設(shè)計了經(jīng)緯儀運動參數(shù)采集系統(tǒng)。

經(jīng)緯儀運動參數(shù)采集系統(tǒng)包括直流電源、開環(huán)控制機箱、數(shù)據(jù)采集卡、串行通訊模塊等。系統(tǒng)的工作原理如下：通過向經(jīng)緯儀施加特定的激勵信號，采集經(jīng)緯儀在該激勵信號驅(qū)動下的運動狀態(tài)曲線，從而探索出經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)非線性環(huán)節(jié)輸入輸出之間的傳遞函數(shù)，為建立精確的經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型提供支持。

2 硬件設(shè)計

經(jīng)緯儀內(nèi)部集成了其專用的伺服控制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)其運動狀態(tài)的控制，如跟蹤、定位等。該伺服系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋控制，因此經(jīng)緯儀在運動過程中的摩擦、阻尼等非線性因素經(jīng)由閉環(huán)反饋控制后都將被消除。但是，要建立經(jīng)緯儀的計算機模型必須掌握經(jīng)緯儀自身的摩擦、阻尼等特性參數(shù)，而這些參數(shù)只有通過開環(huán)運動才能得到，因此經(jīng)緯儀運動參數(shù)采集系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計主要實現(xiàn)對經(jīng)緯儀加載開環(huán)激勵信號，并同步采集其在開環(huán)激勵信號作用下的運動參數(shù)。

根據(jù)經(jīng)緯儀開環(huán)參數(shù)采集的需求，硬件設(shè)計可以分為兩部分，一部分實現(xiàn)激勵信號的加載，另一部分實現(xiàn)開環(huán)運動參數(shù)采集。經(jīng)緯儀內(nèi)部的機電驅(qū)動機構(gòu)是直流力矩電機，直流力矩電機為系統(tǒng)的執(zhí)行元件。經(jīng)緯儀內(nèi)部安裝有2臺直流力矩電機，分別為方位角電機和俯仰角電機。其中，方位角電機型號為J400LYX06WZ，電樞電阻4.71 Ω，電樞電感8.35 mH；俯仰角電機型號為J160LYX07A，電樞電阻5.1 Ω，電樞電感15.43 mH。探測裝置和平臺框架為慣性負載加在電機的軸系上。

將經(jīng)緯儀與伺服控制系統(tǒng)斷開后，使用外部電源直接為經(jīng)緯儀的直流力矩電機施加直流驅(qū)動電壓可以實現(xiàn)其開環(huán)運行。為避免經(jīng)緯儀的2臺電機同時運行產(chǎn)生耦合干擾，通過多功能I/O 板卡控制兩路繼電器，實現(xiàn)方位角電機和俯仰角電機的通斷控制[2]，確保在進行開環(huán)運行測試時同一時刻僅有一臺電機處于運行狀態(tài)，從而保證經(jīng)緯儀運動數(shù)據(jù)采集的精度與可靠性。

2.1 激勵信號加載部分

激勵信號加載部分硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 激勵信號加載硬件原理Fig.1 Hardware schematic diagram of excitation signal loading

直流電源選用AMETEK 公司的Sorensen DLM 600系列程控電源，其外觀如圖2所示。

圖2 Sorensen DLM 600系列程控電源Fig.2 Sorensen DLM 600 series programmablepower supply

Sorensen DLM 600系列程控電源設(shè)計緊湊，能在較?。?U 高、半機架寬）的機箱內(nèi)為各種應(yīng)用提供連續(xù)可變的輸出電壓及電流。該系列電源使用零電壓開關(guān)ZVS 技術(shù)實現(xiàn)極低的紋波和噪聲；具有高效率和快速負載瞬態(tài)響應(yīng)特點，其輸出功率為600 W，輸出電壓范圍為DC 0～5 V至DC 0～300 V，輸出電流范圍為0～2 A至0～75 A；具有近線性紋波和低噪聲的特點，其紋波低至2.5 mV（均方根），噪聲低至15 mV p-p。

該系列電源冷卻空氣的入口位于前部和側(cè)面，排氣口位于后部和側(cè)面。其風(fēng)扇能根據(jù)環(huán)境空氣的溫度和負載進行變速控制，從而降低噪音并延長風(fēng)扇壽命。該系列電源的前面板布局易于操作，用戶可以通過單獨的10-轉(zhuǎn)電位器旋鈕設(shè)置電壓和電流參數(shù)；通過按鈕控制數(shù)種功能，包括電源開啟、輸出開啟、本地/遠程連接、電壓/電流預(yù)覽和過壓保護預(yù)覽；通過2個32?數(shù)字LED 顯示屏查看電壓/電流的設(shè)定值或?qū)嶋H值。

該系列電源具備遠程控制功能，可通過符合LXI標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)LAN/RS-232C/IEEE-488.2 進行編程控制，具備標(biāo)準(zhǔn)模擬編程0～5 V，0～10 V 或0～5 kΩ功能。在系統(tǒng)中，Sorensen DLM 600系列程控電源用來驅(qū)動經(jīng)緯儀中的方位角電機和俯仰角電機。

多功能I/O 板卡選用NI 公司的USB-6009 多功能I/O 設(shè)備，其外觀如圖3所示。

USB-6009 多功能I/O 設(shè)備，具有8 路AI（14 位，48 kS/s），2 路AO（150 Hz），13 路DIO，是一款高性價比多功能DAQ 設(shè)備；提供了模擬I/O、數(shù)字I/O 和1個32 位計數(shù)器[3]；為簡單的數(shù)據(jù)記錄、便攜式測量等應(yīng)用提供基本的數(shù)據(jù)采集功能；具有輕便的機械外殼，采用總線供電，便于攜帶；可以通過螺栓端子接口，輕松將傳感器和信號與USB-6009 相連接；隨附的NI-DAQmx 驅(qū)動程序和配置實用程序有助于簡化配置和測量。

圖3 USB-6009 多功能I/O 設(shè)備Fig.3 USB-6009 multifunctional I/O device

在系統(tǒng)中，通過上位機控制USB-6009的DIO通道，進而控制方位角電機和俯仰角電機驅(qū)動繼電器的通斷，最終實現(xiàn)對經(jīng)緯儀中2臺電機的分時激勵加載。

選用施耐德RXM·A系列的RXM2AB2BD型中間繼電器，其外觀如圖4所示。

圖4 RXM2AB2BD 繼電器Fig.4 RXM2AB2BD relay

繼電器主要功能是斷開/閉合電路。當(dāng)電源通過電路時，繼電器使用產(chǎn)生磁力的線圈；當(dāng)電流關(guān)閉時，此力將繼電器保持在NO 位置，繼電器將返回NC位置。該繼電器線圈電壓為24 V 直流，線圈功率900 mW，線圈電阻650 Ω，觸點配置為雙刀雙擲，切換電流12 A。該繼電器通過插座安裝在機箱的導(dǎo)軌上，繼電器作為中間設(shè)備控制施加在直流力矩電機上的直流電源的功率信號的通斷。

2.2 開環(huán)運動參數(shù)采集部分

開環(huán)運動參數(shù)采集部分硬件系統(tǒng)，主要實現(xiàn)經(jīng)緯儀在特定激勵信號驅(qū)動下同步采集其運動狀態(tài)，包括角度、速度、加速度等狀態(tài)數(shù)據(jù)。

經(jīng)緯儀內(nèi)部安裝有編碼器用于采集經(jīng)緯儀的運動狀態(tài)。所用編碼器為德國海德漢Heidenhain 公司RCN8310型絕對式光電編碼器。該編碼器具有體積小、精度高、可靠性高的優(yōu)點；采用內(nèi)置定子聯(lián)軸節(jié)，故在軸作角加速度運動時，僅接受由于軸承摩擦引起的扭矩，因而具有較高的動態(tài)特性。

RCN8310 絕對式光學(xué)編碼器的技術(shù)指標(biāo)如下：

增量信號為～1 Vpp；刻線數(shù)為32768；

極限頻率≥180 kHz；

絕對位置值每轉(zhuǎn)為536870912（29 Bits）；

測量步距為0.0001°；

系統(tǒng)精度為±2″（分辨率為0.0024″）；

固有頻率≥900 Hz；

機械允許轉(zhuǎn)數(shù)為（最大）1000 r/min；

絕對位置的電氣允許轉(zhuǎn)數(shù)為300 r/min；

在55～2000 Hz 振動頻率條件下，最大振動加速度≤100 m/s2；在6 ms時間的沖擊條件下，最大沖擊加速度≤1000 m/s2。

該編碼器采用EnDat 接口，為雙向接口，能夠在輸出絕對位置的同時，獲取或更新存儲在編碼器中的數(shù)據(jù)；采用串行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸內(nèi)容用從后續(xù)電子設(shè)備送至編碼器的模式指令選定。

編碼器的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)理板后經(jīng)由RS-422 總線從航空插座輸出至外部設(shè)備。在此直接從編碼器數(shù)據(jù)航空插座引出RS-422 總線，轉(zhuǎn)換為USB 總線接口后連接至上位機。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用LabVIEW 軟件開發(fā)平臺，Lab-VIEW是測控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的軟件開發(fā)工具，使用圖形化編程語言（G 語言）進行編程，具有開發(fā)效率高、維護成本低等優(yōu)點[4]，能夠快速地開發(fā)出測試軟件原型。

為實現(xiàn)經(jīng)緯儀運動參數(shù)的準(zhǔn)確采集，需確保激勵信號加載與運動參數(shù)采集同步進行。軟件中通過程序框圖，利用LabVIEW 中的順序結(jié)構(gòu)、同步隊列等程序結(jié)構(gòu)和函數(shù)實現(xiàn)所需的控制邏輯[5]。軟件運行流程如圖5所示。

圖5 軟件運行流程Fig.5 Software operation flow chart

LabVIEW 開發(fā)平臺提供了眾多不同樣式的控件，用戶可以根據(jù)自己的軟件界面風(fēng)格選擇所需的控件[6]。在LabVIEW 中調(diào)用控件和VI，并編制相應(yīng)的前面板軟件界面和程序框圖控制程序，形成完整的測試控制軟件。其中，控制環(huán)節(jié)主要通過DAQmx數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序，實現(xiàn)對多功能I/O 卡USB-6009的控制，運動狀態(tài)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)通過VISA 驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)RS-422 總線數(shù)據(jù)的采集。軟件界面如圖6所示。

圖6 測控軟件主界面Fig.6 Main interface of measurement and control software

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)搭建完成后，進行軟硬件聯(lián)調(diào)測試。測試前，先開啟直流電源并且運行經(jīng)緯儀測控軟件，然后通過軟件控制多功能I/O 設(shè)備，輸出數(shù)字信號導(dǎo)通方位角或俯仰角電機，控制繼電器驅(qū)動直流力矩電機運動，同時軟件開啟運動數(shù)據(jù)采集線程，采集經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)臺的編碼器數(shù)據(jù)調(diào)理板輸出信息，包括經(jīng)緯儀角度、速度、加速度等。

經(jīng)過對系統(tǒng)進行測試評估，經(jīng)緯儀運動參數(shù)采集系統(tǒng)運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集完整準(zhǔn)確。調(diào)節(jié)直流電源電壓，使經(jīng)緯儀以不同的轉(zhuǎn)速運動，同時采集其運動狀態(tài)、電機電壓和電流，為后續(xù)經(jīng)緯儀仿真建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。施加33 V 電壓時，經(jīng)緯儀運動參數(shù)采集數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 經(jīng)緯儀運動參數(shù)采集數(shù)據(jù)Fig.7 Curve of theodolite motion data

由圖可見，在直流電壓信號作用下，經(jīng)緯儀從靜止?fàn)顟B(tài)逐漸加速，當(dāng)加速至83 r/min時轉(zhuǎn)速進入穩(wěn)定狀態(tài)；直流電源電壓信號始終保持33 V 穩(wěn)定值；電機電流值在電機啟動階段的一個時間段內(nèi)處于上升趨勢，峰值電流達到4.6 A，其后隨著轉(zhuǎn)速的上升電流值逐漸下降。在轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定狀態(tài)后，電流也趨于穩(wěn)定，為0.9 A。

5 結(jié)語

利用由直流電源、多功能I/O 設(shè)備USB-6009、繼電器以及RS-422 總線通訊設(shè)備組成的硬件平臺，結(jié)合基于LabVIEW 平臺開發(fā)的測控軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對經(jīng)緯儀運動參數(shù)的同步、準(zhǔn)確采集，為后續(xù)經(jīng)緯儀的精確建模提供樣本數(shù)據(jù)，同時也為類似機電系統(tǒng)的運動數(shù)據(jù)采集提供了可供參考的技術(shù)途徑。