飛行器伺服控制系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的研究與應(yīng)用

賈新強(qiáng)，嚴(yán) 忠，盧建華

（1.海軍駐西安東郊航空設(shè)備軍事代表室，西安 710065；2.92213 部隊，山東 煙臺 264001；3.海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺 264001）

0 引言

伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)涉及到控制、電子、機(jī)械液壓等多個學(xué)科和領(lǐng)域，如何運用先進(jìn)設(shè)計方法提高設(shè)計的可行性與有效性是系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵。伺服控制系統(tǒng)作為飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，其開發(fā)與驗證在飛行控制系統(tǒng)研發(fā)過程中占有舉足輕重的位置。[1]隨著直接驅(qū)動舵機(jī)（DDA）和數(shù)字控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)在伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，伺服控制系統(tǒng)開發(fā)面臨下述問題：

1）DDA 舵機(jī)作為被控對象在國內(nèi)應(yīng)用經(jīng)驗很少、技術(shù)難度大；

2）在國內(nèi)，使用數(shù)字控制技術(shù)設(shè)計控制系統(tǒng)控制液壓舵機(jī)缺乏工程經(jīng)驗；

3）控制系統(tǒng)設(shè)計涉及多個學(xué)科和領(lǐng)域，建模比較困難；

4）伺服控制系統(tǒng)研制周期短、需要一次設(shè)計成功，避免設(shè)計反復(fù)。

如果采用傳統(tǒng)的瀑布式的設(shè)計、開發(fā)和驗證手段，只有等到產(chǎn)品研制出來后才能通過試驗進(jìn)行驗證，可能會出現(xiàn)一定的反復(fù)。目前國外開始普遍采用集成工程環(huán)境 IEE（Integrated Engineering Environment）等先進(jìn)設(shè)計方法和工具進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計和實施，即在設(shè)計過程應(yīng)用螺旋式開發(fā)流程，在不同的設(shè)計階段應(yīng)用IEE 工具分別進(jìn)行設(shè)計、仿真和驗證，盡可能在設(shè)計早期發(fā)現(xiàn)和解決問題，作到一次成功。下面對IEE 進(jìn)行簡要介紹，并對如何應(yīng)用IEE 進(jìn)行DDA 舵機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行深入探討。

1 IEE 設(shè)計方法和工具

現(xiàn)在控制系統(tǒng)的研制和產(chǎn)品開發(fā)都要遵循系統(tǒng)工程的方法。系統(tǒng)工程要求開發(fā)者遵循一定的動態(tài)開發(fā)流程，如圖1所示的V模式。[2-3]

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程

IEE能夠真正地將整個系統(tǒng)開發(fā)流程有機(jī)地聯(lián)系起來。在系統(tǒng)設(shè)計階段可以利用IEE進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、控制算法設(shè)計優(yōu)化、仿真驗證；在原型驗證和產(chǎn)品實現(xiàn)階段利用IEE直接繼承系統(tǒng)設(shè)計階段的成果，將離線仿真模型用于快速原型驗證，進(jìn)一步考核系統(tǒng)的時間特性，為最終產(chǎn)品實現(xiàn)鋪平道路。

IEE 提供了從方案設(shè)計、快速實時原型到實時測試的一體化解決體系，可以應(yīng)用于整個工程設(shè)計生命周期。

如圖2所示，整個設(shè)計開發(fā)流程分為系統(tǒng)方案設(shè)計階段和實時原型階段。前一階段利用MATlAB控制工具箱中的Simulink、Stateflow 等工具把具體的工程問題通過建立模型轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)設(shè)計分析所依賴的對象，并仿真檢驗控制效果，該階段直觀地利用Simulink的動態(tài)分析、仿真功能。

圖2 控制系統(tǒng)IEE設(shè)計流程

在實時原型階段，應(yīng)用Real-time Workshop、Stateflow Coder、xPC、dSPACE 等工具生成高效可移植的實時代碼，自動下載到實時計算機(jī)上運行，通過計算機(jī)上物理I/O 直接驅(qū)動真實的物理對象，實現(xiàn)對算法的實時測試，也為將來的硬件選擇和系統(tǒng)實現(xiàn)提供技術(shù)參考[4-5]。

IEE 完全可以應(yīng)用到伺服控制系統(tǒng)的整個開發(fā)過程中，并具有以下優(yōu)點：

1）把不同領(lǐng)域（機(jī)、電、液等）的工程師結(jié)合起來，協(xié)調(diào)設(shè)計，減少重復(fù)建模，共享數(shù)據(jù)；

2）更完整透徹地理解系統(tǒng)模型，減少設(shè)計錯誤；

3）顯著地減少設(shè)計周期和實驗次數(shù)；

4）多方案比較，快速進(jìn)行What-if分析，進(jìn)行系統(tǒng)級優(yōu)化設(shè)計；

5）對不能夠用實驗進(jìn)行校驗的場合進(jìn)行仿真；

6）工程各個階段的成果能夠平滑過渡、無縫集成。

2 IEE 在伺服控制系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

DDA 舵機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)是一套復(fù)雜的四余度控制系統(tǒng)，它包括與四余度舵機(jī)對應(yīng)的四余度數(shù)字伺服控制和故障監(jiān)控硬件線路（如圖3所示）及軟件的控制算法、故障監(jiān)控算法、余度管理策略等，而其中的軟件算法是整個控制系統(tǒng)關(guān)鍵。

為了更好地完成DDA 舵機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)開發(fā)工作，本文按照IEE 設(shè)計流程，應(yīng)用MATLAB的SIMULINK、STATEFLOW 和xPC 等工具完成了伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和驗證等工作，實現(xiàn)設(shè)計結(jié)果和仿真驗證無縫連接和平滑過渡。

圖3 DDA數(shù)字伺服開展系統(tǒng)硬件原理圖

2.1 應(yīng)用方式

由于該系統(tǒng)為余度系統(tǒng)，為了驗證系統(tǒng)的余度管理方法和故障邏輯是否正確，在設(shè)計過程中應(yīng)用Stateflow 按照有限狀態(tài)機(jī)原理對系統(tǒng)各種狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系和條件進(jìn)行了仿真驗證，具體設(shè)計如圖4所示。

按照IEE 設(shè)計流程，在伺服控制系統(tǒng)設(shè)計階段，應(yīng)用SIMULINK 對DDA 舵機(jī)進(jìn)行了建模，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了相應(yīng)的控制算法和監(jiān)控算法，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真，具體參見圖5。

圖4 系統(tǒng)故障監(jiān)控邏輯

圖5 DDA伺服控制系統(tǒng)仿真圖

2.2 驗證方案的選取與確定

快速原型化系統(tǒng)的目的就是盡快建立一定的硬件環(huán)境進(jìn)行實時仿真，將系統(tǒng)設(shè)計思想進(jìn)行驗證，作到邊設(shè)計、邊分析、邊驗證，提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量[6]。因此DDA 數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的快速原型系統(tǒng)設(shè)計過程應(yīng)該遵循以下原則：

1）用成熟的貨架產(chǎn)品設(shè)計硬件環(huán)境和回路仿真；

2）充分應(yīng)用已有的成熟的DDA模擬伺服控制器的硬件環(huán)境；

3）充分應(yīng)用快速原型化系統(tǒng)設(shè)計理念，使系統(tǒng)達(dá)到物理上易于實現(xiàn)、功能上分布實施。

目前能夠與 MATLAB的RTW（Real-Time Workshop）系列軟件實現(xiàn)無縫連接的主要有xPC 目標(biāo)環(huán)境和dSPACE系統(tǒng)兩種實時仿真系統(tǒng)?？紤]到采用PC機(jī)作為舵機(jī)數(shù)字控制器驗證數(shù)字伺服的各種算法完全可以滿足試驗穩(wěn)定性的需求，并且xPC提供的I/O 接口完全滿足數(shù)字伺服控制需求，所以DDA 舵機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的快速仿真原型選用了xPC 目標(biāo)環(huán)境。

2.3 仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

模擬電路利用已有的模擬伺服控制電路進(jìn)行簡單改造。數(shù)字伺服控制器硬件采用工控計算機(jī)加接口板卡來實現(xiàn)，原型系統(tǒng)的軟件則采用MATLAB的RTW 工具箱代碼將DDA 舵機(jī)的控制模型自動生成相應(yīng)控制軟件，并利用xPC 目標(biāo)環(huán)境加載到的工控機(jī)中運行，實現(xiàn)DDA 舵機(jī)的實時控制，見圖6。

圖6 快速原型化數(shù)字伺服控制系統(tǒng)組成圖

應(yīng)用上述軟硬件環(huán)境，可以方便改變控制模型各種參數(shù)，并在設(shè)計早期驗證DDA 舵數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的各種算法可行性和性能，提高設(shè)計、開發(fā)效率?？刂颇Ｐ桶丝刂扑惴ā⒈O(jiān)控算法和故障邏輯等模型，如圖7所示。

圖7 單套數(shù)字伺服控制框圖

2.4 驗證效果

在設(shè)計的早期就完成了伺服控制算法和監(jiān)控算法的仿真設(shè)計工作，并應(yīng)用實時原型系統(tǒng)控制實物DDA 舵機(jī)進(jìn)行各種性能試驗，對算法進(jìn)行驗證和修訂，為實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。[6]通過模擬伺服控制DDA 和應(yīng)用PC 構(gòu)成快速原型數(shù)字伺服控制系統(tǒng)控制DDA 在階躍信號和正弦信號下實際響應(yīng)的比較可以看出，數(shù)字伺服控制器的控制效果與模擬伺服控制器完全一致，說明數(shù)字伺服控制律滿足控制要求。為設(shè)計人員在數(shù)字伺服控制系統(tǒng)設(shè)計的各個階段提供了良好的幫助。

3 還需進(jìn)行的工作

雖然在DDA 舵機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)過程中應(yīng)用了IEE 流程的大部分環(huán)節(jié)，但最后一個生成產(chǎn)品級代碼注入產(chǎn)品中的環(huán)節(jié)還沒有嘗試，這還需要進(jìn)一步努力。

4 結(jié)論

本文通過介紹IEE 設(shè)計流程及先進(jìn)工具，并在DDA 舵機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)開發(fā)過程應(yīng)用。

該方法的使用有效提高了數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計效率，特別是代碼自動生成功能，免除了大量瑣碎的人工編程和調(diào)試工作，縮短了仿真驗證周期，

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