基于DSP的飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 輝，王麗瑩

（1.渤海大學(xué) 遼寧 錦州121013；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 黑龍江 大慶163318）

基于DSP的飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 輝1，王麗瑩2

（1.渤海大學(xué) 遼寧 錦州121013；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 黑龍江 大慶163318）

針對(duì)飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的精確控制問(wèn)題，提出了一種基于DSP的轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成了系統(tǒng)的硬件，軟件及控制算法的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的硬件部分以DSP為核心控制器，結(jié)合VC++編寫的上位機(jī)控制界面軟件，并利用雙閉環(huán)PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的高精度控制。通過(guò)實(shí)際測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，表明該控制系統(tǒng)具有控制精度高，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

數(shù)字信號(hào)處理器；飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)；PID；高精度；上位機(jī)

隨著航空、航天工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)飛行器的研制成本和研發(fā)周期要求越來(lái)越高，這促進(jìn)了飛行器仿真系統(tǒng)的研制和開發(fā)。飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)是一個(gè)高精度的隨動(dòng)系統(tǒng)，由精密機(jī)械臺(tái)體和高性能的控制系統(tǒng)兩部分組成[1-3]。

作為飛行器控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真回路中的關(guān)鍵設(shè)備之一，要求飛行器仿真系統(tǒng)能夠模仿飛行器在空中飛行時(shí)姿態(tài)變化，并且在半實(shí)物仿真中能夠?qū)崟r(shí)反饋敏感元件如陀螺的角位置、角速度等信號(hào)變化，從而使其能感受到與飛行器實(shí)際飛行時(shí)較逼真的姿態(tài)變化信號(hào)[4-6]。一般情況下，飛行器仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)做到控制精度高，響應(yīng)速度快和運(yùn)行穩(wěn)定可靠等多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)[7]。因此，研制一套可靠的控制系統(tǒng)具有重要意義。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的精確控制，在做了需求分析的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了基于DSP的飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠完成對(duì)其準(zhǔn)確控制。

1 總體設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，控制系統(tǒng)由控制單元、功放單元、測(cè)角單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。在對(duì)飛行器仿真系統(tǒng)控制的過(guò)程中，控制單元完成轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)字、模擬控制及數(shù)據(jù)處理等功能，功放單元對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行功率放大并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)角單元主要由感應(yīng)同步器及其接口電路構(gòu)成，用來(lái)檢測(cè)敏感元件的位置和速度信號(hào)；控制單元與上位機(jī)之間相互通信，并利用接口總線將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，最后由上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

飛行仿真控制系統(tǒng)下位機(jī)硬件部分主要由DSP控制電路、功放電路、通信模塊、測(cè)角電路等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。文中只對(duì)上述關(guān)鍵部分給出介紹。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

DSP控制電路主要用來(lái)完成測(cè)角數(shù)據(jù)計(jì)算處理功能[8-10]?？刂齐娐分饕蓴?shù)字控制單元和模擬控制單元兩個(gè)部分構(gòu)成，其中數(shù)字控制單元不僅可以接收測(cè)角數(shù)據(jù)并將其耦合成角度值，還可直接控制飛行轉(zhuǎn)臺(tái)的開關(guān)量；模擬控制單元的作用是將數(shù)字控制量按照PID算法計(jì)算出被控量，并將其轉(zhuǎn)化成模擬量送到功放電路來(lái)控制飛行轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)[11-13]。

功放電路主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的功率放大作用。本設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)串聯(lián)的LM12組成功放電路，將輸入端信號(hào)分別放大反向和正向各10倍，放大器輸出端符號(hào)相反，因此總的輸出電壓可達(dá)到56 V，并設(shè)計(jì)了由4個(gè)快速2極管組成的限壓保護(hù)電路。在輸出端，將兩路信號(hào)輸出端直接接電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行。加入電流反饋的作用是為了提高系統(tǒng)的平穩(wěn)性，并可以從測(cè)量的電流反饋值來(lái)判斷轉(zhuǎn)臺(tái)是否超速，若超速則可緊急制動(dòng)，并向DSP控制電路發(fā)送超速警報(bào)。

通信模塊是飛行控制系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行通信的接口，設(shè)計(jì)中通過(guò)采用 TL16C550異步串行通信收發(fā)器配合AM26LS31/32實(shí)現(xiàn)DSP與上位機(jī)的通信。其中TL16C550的WR1和RD1共用DSP芯片的讀寫信號(hào)W/R，讀寫信號(hào)經(jīng)反相后接到TL16C550的RD1端，解決了異步串行收發(fā)器不能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的問(wèn)題。發(fā)送器就緒信號(hào)TXRDY和接收器就緒信號(hào)RXRDY通過(guò)一個(gè)或門共用DSP的第二個(gè)中斷源INT2，讀取中斷標(biāo)志寄存器IIR的值可以識(shí)別出中斷類型。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的遠(yuǎn)程控制，設(shè)計(jì)中采用了傳輸距離更長(zhǎng)的485標(biāo)準(zhǔn)串口，通過(guò)DSP與工控機(jī)信息交換，實(shí)現(xiàn)即時(shí)顯示飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行速率以及遠(yuǎn)程更改DSP程序中PID參數(shù)等作用[14]。

測(cè)角電路由粗、細(xì)兩種測(cè)角機(jī)構(gòu)組成；粗精兩套測(cè)角系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是相同的，都采用單相激磁雙相輸出跟蹤鑒幅型方式。測(cè)試過(guò)程中利用旋轉(zhuǎn)變壓器完成粗測(cè)角，隨后由感應(yīng)同步器實(shí)現(xiàn)精測(cè)角；前置放大器接收感應(yīng)同步器輸出的精測(cè)角信號(hào)后，連通旋轉(zhuǎn)變壓器定子輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字式的角度信號(hào)，隨后進(jìn)一步的由DSP控制電路進(jìn)行處理。采用這種測(cè)角方式具有精度高、可靠性好、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。兩通道測(cè)角數(shù)據(jù)經(jīng)粗精耦合處理可達(dá)到分辨率為0.0001°和000.0000°～359.9999°的測(cè)量范圍。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，軟件系統(tǒng)主要分布在上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，其中上位機(jī)軟件采用VC++可視化設(shè)計(jì)，利用該軟件開發(fā)應(yīng)用程序主要有兩種模式，一種是WIN API方式，另一種則是MFC方式，傳統(tǒng)的WIN API開發(fā)方式比較繁瑣，而MFC則是對(duì)WIN API再次封裝，所以MFC相對(duì)于WIN API開發(fā)更具備效率優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其所具備的界面簡(jiǎn)潔，占用資源少，操作方便等優(yōu)點(diǎn)也是本設(shè)計(jì)選擇該開發(fā)系統(tǒng)的原因之一[15-16]。為了日后的更新、維護(hù)與拓展，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模塊化的思想，整個(gè)系統(tǒng)中上位機(jī)主要包括交互模塊、數(shù)值分析模塊、控制模塊等，下位機(jī)軟件系統(tǒng)主要包括角度檢測(cè)模塊，濾波處理模塊、位置環(huán)計(jì)算模塊、速率環(huán)計(jì)算模塊、輸出控制模塊、總線通信模塊等組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，交互模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)DSP之間的數(shù)據(jù)交換功能，可以通過(guò)上位機(jī)向下位機(jī)DSP發(fā)送控制參數(shù)，如P、I、D參數(shù)等，同樣的，下位機(jī)也通過(guò)該模塊上傳飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的狀態(tài)參數(shù)，用于上位機(jī)做出控制決策的依據(jù)。數(shù)值分析模塊主要用來(lái)對(duì)下位機(jī)上傳來(lái)的參數(shù)進(jìn)行分析和處理，如當(dāng)前轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行的位置和速度是否在預(yù)定控制要求內(nèi)，并根據(jù)分析結(jié)果向用戶提供可行的控制建議等；控制模塊的作用是將數(shù)值分析模塊提供的控制建議進(jìn)行二次加工處理，并將控制參數(shù)打包后通過(guò)交互模塊發(fā)送到下位機(jī)。

下位機(jī)中的角度檢測(cè)模塊主要是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將粗、細(xì)兩種測(cè)角模式下的模擬角度值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；濾波處理模塊主要用來(lái)將前期采集和檢測(cè)到的角度值進(jìn)行濾波處理（如IIR濾波），目的是將信號(hào)中摻雜的噪聲信號(hào)處理掉；位置環(huán)計(jì)算模塊的作用是通過(guò)判斷飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向和速率環(huán)的偏差量來(lái)計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)臺(tái)所處位置；速率環(huán)計(jì)算模塊是通過(guò)計(jì)算相鄰采樣時(shí)刻的位置值之差獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行速率；輸出控制主要是將位置環(huán)P、I、D參數(shù)和速率環(huán)的P參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并將參數(shù)轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)用于控制電機(jī)；通信模塊是下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信的接口，通過(guò)該接口可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，具有傳輸速率快的優(yōu)點(diǎn)。

上電開始后經(jīng)過(guò)總線接口初始化后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。若飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)不在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)485總線接收指令并改變運(yùn)行速率和PID控制參數(shù)。若飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)處于運(yùn)行狀態(tài)，則需制動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)后再進(jìn)行參數(shù)的修改。當(dāng)主程序接收到指令時(shí)，主程序打開測(cè)角中斷進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)下，主程序處于測(cè)角中斷等待狀態(tài)；DSP以0.5ms作為采樣周期；進(jìn)入采樣中斷程序后進(jìn)行一次測(cè)角取數(shù)，A/D轉(zhuǎn)換、濾波處理、角度耦合，PID控制量的計(jì)算以等過(guò)程。軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖4所示。

4 測(cè)試與驗(yàn)證

該控制系統(tǒng)用于單軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的控制。在進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先啟動(dòng)上位機(jī)應(yīng)用程序，手動(dòng)設(shè)置飛行轉(zhuǎn)臺(tái)控制參數(shù)，并通過(guò)完成通信接口設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)DSP芯片的初始化。其中通信接口需要下位機(jī)DSP發(fā)送命令字，并接收來(lái)自DSP上傳的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的不同運(yùn)行速率進(jìn)行平穩(wěn)性測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如下表所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程圖

表1 采樣數(shù)據(jù)

在轉(zhuǎn)臺(tái)速度分別為0.1°/s、1°/s和10°/s情況下對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，如表1所示；在獲得數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上計(jì)算三種情況下的角速率精度和速率穩(wěn)定度兩個(gè)指標(biāo)，如表2所示。

表2 控制指標(biāo)

通過(guò)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，DSP控制系統(tǒng)的小偏差位置控制效果準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

該控制系統(tǒng)采用了DSP高速數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心，軟件上采用了基于PID算法的雙閉環(huán)控制思想，提供了控制系統(tǒng)的速度和精確性；該控制系統(tǒng)已對(duì)某型單軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用表明該控制系統(tǒng)具有控制精度高、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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Design of flight simulation turntable control system based on DSP

ZHAO Hui1，WANG Li-ying2
（1.Bohai University，Jinzhou 121013，China；2.Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163318，China）

Aiming at the precision of flight simulation turntable，we propose an design scheme of control system base on DSP. The hardware system，software system and control algorithm are designed in this paper.The DSP play an core control chip in the hardware system.and the software system of host computer adopts the VC++software as development environment.The double closed loop PID algorithm is applied to the DSP chip to improve the control precision.The experiment and application show that this control system has good performance，and achieve the design requirement.

DSP；flight simulation turntable；PID；high-precision；host computer

TP23

A

1674－6236（2016）24-0064-03

2016-04-20 稿件編號(hào)：201604199

國(guó)家青年基金項(xiàng)目(61304053)

趙 輝（1984—），男，吉林公主嶺人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師。研究方向：智能控制、信號(hào)處理。