基于LabVIEW的位標(biāo)器電位器測角標(biāo)定系統(tǒng)

荊濤

（西安電子工程研究所 控制工程部，陜西 西安 710100）

1 引言

在位標(biāo)器伺服控制系統(tǒng)中，常采用精密電位器作為角位移傳感器，這是由于其具有接口電路簡單和體積小的優(yōu)點(diǎn)，但由于電位器輸出非線性和隨機(jī)噪聲的影響，其輸出電壓與真實(shí)角度呈非線性對應(yīng)關(guān)系，必須經(jīng)過標(biāo)定才能輸出準(zhǔn)確的角度值［1］。為了簡化標(biāo)定過程并提高精度，筆者開發(fā)了一款基于LabVIEW虛擬儀器平臺的上位機(jī)測試系統(tǒng)，通過對來自數(shù)字傾角傳感器的角度反饋值θx和下位機(jī)（位標(biāo)器控制系統(tǒng)）輸出的電位器電壓反饋值Vx進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到了標(biāo)定后的電位器角度輸出值φx與Vx之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)Φ（V），并獲得較高的標(biāo)定精度。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由上位機(jī)測試平臺、數(shù)字傾角傳感器、下位機(jī)和位標(biāo)器伺服機(jī)構(gòu)（包括電位器和電機(jī)等）構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System basic block diagram

其中，數(shù)字傾角傳感器采用中星測控公司生產(chǎn)的CS－2TAS－03型雙軸傾角計(jì)，其輸出接口為RS－232，分辨率為0.01°，量程可達(dá)±75°，完全滿足位標(biāo)器的角度輸出指標(biāo)，下位機(jī)以TI公司C2000系列 DSP為控制核心，并結(jié)合 A／D、D／A等外圍電路以及串行通訊接口和功率驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成位標(biāo)器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，完成位標(biāo)器伺服機(jī)構(gòu)的控制。下位機(jī)軟件有多種工作模式，當(dāng)工作在角度標(biāo)定模式下時(shí)，該軟件會自動(dòng)將采集到的電位器輸出電壓Vx通過RS－485通訊接口送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的基于LabVIEW的測試平臺一方面接收來自下位機(jī)的Vx和來自傾角計(jì)θx的反饋值，另一方面向下位機(jī)發(fā)出置位指令，以獲得不同的Vx和θx數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而完成電位器的自動(dòng)標(biāo)定。其中，電機(jī)與安裝傾角傳感器的平臺和電位器都通過消隙齒輪嚙合，保證了傳動(dòng)環(huán)節(jié)上的剛度和線性度。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件的主要功能為：通過計(jì)算機(jī)串口接收來自DSP的電位器電壓反饋值Vx和傾角傳感器的角度反饋值θx；將θx與預(yù)置角度值θs進(jìn)行比較，進(jìn)行閉環(huán)位置算法后形成角誤差指令Vs，并通過串口向DSP發(fā)送；完成所有數(shù)據(jù)點(diǎn)記錄后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合算法，得到從電位器輸出電壓值Vx到真實(shí)角度值φx的轉(zhuǎn)換函數(shù)Φ（V）。系統(tǒng)的功能流程如圖2所示。其中，e為設(shè)定的死區(qū)門限，與傾角傳感器的精度有關(guān)，本系統(tǒng)中取e＝0.02°，而θs的變化步長則為2°。

圖2 系統(tǒng)功能流程圖Fig.2 System function flowchart

3.2 控制回路設(shè)計(jì)

控制回路的功能為根據(jù)預(yù)置角度值θs和傾角傳感器的角度反饋值θx對位標(biāo)器平臺的姿態(tài)進(jìn)行控制，從而達(dá)到在機(jī)構(gòu)平臺運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)自動(dòng)改變傾角傳感器輸出值的目的。考慮到傾角傳感器的輸出帶寬和通訊延遲帶來的相位滯后［2］，我們設(shè)計(jì)了如圖3所示的上位機(jī)控制回路。

圖3 控制回路結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Control loop block diagram

圖3中，G（s）為位標(biāo)器等效傳函，系統(tǒng)的校正函數(shù)由W（s）和Wτ（s）組成，其中，W（s）為串聯(lián)在主回路上的PID校正環(huán)節(jié)，而Wτ（s）為并聯(lián)在G（s）兩端的超前校正環(huán)節(jié)，用以補(bǔ)償控制回路的相位滯后；H（s）為傾角傳感器的反饋傳函，考慮到其輸出特性，還在反饋通道上串連了絕對值為e的死區(qū)。K1為比例系數(shù)，將角誤差轉(zhuǎn)換為電壓 指令Vs，從而完成位標(biāo)器平臺姿態(tài)的閉環(huán)控制。

3.3 數(shù)據(jù)融合設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電位器電壓輸出范圍為0～10 V，位標(biāo)器平臺的運(yùn)動(dòng)范圍為－25°～25°，圖4給出了根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)繪制的電壓V（V）與角度Φ（°）對應(yīng)N（個(gè)）采樣點(diǎn)的輸出曲線。

由圖4可以看出，二者的對應(yīng)關(guān)系Φj（V）可用n階線性多項(xiàng)式進(jìn)行擬合［3］，即：

圖4 電壓反饋與角度反饋對應(yīng)曲線Fig.4 Curves of voltage feedback vs degree feedback

對應(yīng)的均方差mse為

式中：Θj為傾角傳感器輸出角度；ρj為權(quán)值。

曲線擬合的目標(biāo)是使mse在指標(biāo)范圍內(nèi)可以達(dá)到最小。考慮到程序運(yùn)算的復(fù)雜性和傳感器特性，本系統(tǒng)采用的多項(xiàng)式模型階數(shù)為3，權(quán)值為1。

3.4 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件基于Labview8.5平臺進(jìn)行開發(fā)，用到的主要功能模塊包括：串口通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、曲線擬合模塊、人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊和位置控制模塊，其軟件功能框圖如圖5所示。

圖5 角度標(biāo)定系統(tǒng)軟件功能框圖Fig.5 System software function block diagram

其中，數(shù)據(jù)采集模塊對從串口獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換后分別送給曲線擬合模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊和位置控制模塊。曲線擬合模塊通過調(diào)用Lab－VIEW內(nèi)部集成的廣義多項(xiàng)式擬合元件［4］來實(shí)現(xiàn)；位置控制模塊中所用的算法和指令形成通過調(diào)用表達(dá)式元件并在其中內(nèi)嵌C語言實(shí)現(xiàn)；而數(shù)據(jù)記錄模塊則將標(biāo)定過程中的反饋數(shù)據(jù)記錄到硬盤文件上；系統(tǒng)的操控界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)操控界面圖Fig.6 System software interface diagram

其中，2個(gè)儀表盤分別顯示傾角傳感器輸出的方位和俯仰角度，當(dāng)前的標(biāo)定軸由用戶選擇，在完成一個(gè)角度的位置閉環(huán)后，系統(tǒng)會自動(dòng)切換到下一角度值，直至完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍。此時(shí)標(biāo)定結(jié)果（方差和系數(shù)）會在界面上顯示，標(biāo)定過程結(jié)束。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)前所述標(biāo)定過程，獲得方位軸的轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

此時(shí)的方差mse＝0.004。為驗(yàn)證該轉(zhuǎn)換函數(shù)的精確度，又將轉(zhuǎn)換后的角度輸出與傾角傳感器輸出進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 角度輸出對比Tab.1 Contrast of degree output

從表1可以看出，傾角傳感器的輸出與實(shí)際角度輸出值之間有著較好的一致性，且精度始終滿足方差計(jì)算值。

5 結(jié)論

綜上所述，該基于LabVIEW的位標(biāo)器電位器角度標(biāo)定系統(tǒng)具有較高的標(biāo)定精度，并可顯著提高標(biāo)定工作效率。但受限于傾角傳感器的輸出精度，為獲得更高的測角指標(biāo)，需要更高精度的傾角傳感器，這也增加了該標(biāo)定系統(tǒng)的硬件成本。

［1］陳書劍，徐峰，褚淵.高精度角度傳感器自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006，16（8）：15－19.

［2］Richard C Dorf，Robert H Bishop.MODERN CONTROL SYSTEMS［M］.鄒逢興，謝紅衛(wèi)，張明，譯.北京：高等教育出版社，2001.

［3］李慶揚(yáng)，關(guān)治，白峰杉.數(shù)值計(jì)算原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.

［4］吳成東，孫秋野，盛科.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2008.