一種雙余度伺服控制軟件模塊設(shè)計(jì)

陳陽 周毅 連紅森

摘要

雙余度伺服系統(tǒng)廣泛運(yùn)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)不可或缺的重要組成部分。然而，雙余度伺服系統(tǒng)存在協(xié)同控制和故障策略設(shè)計(jì)的問題。針對(duì)這種情況，本文提出了一種雙余度伺服控制軟件設(shè)計(jì)方法經(jīng)驗(yàn)證，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)伺服控制系統(tǒng)中兩個(gè)控制余度之間的協(xié)同工作，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。當(dāng)單個(gè)余度發(fā)生故障時(shí)，雙余度伺服控制軟件能夠執(zhí)行故障策略，控制整個(gè)伺服系統(tǒng)不受故障影響正常工作，提高了整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性。

【關(guān)鍵詞】控制軟件 雙余度伺服控制系統(tǒng) 故障策略

電液伺服閥，作為電液伺服控制系統(tǒng)的核心控制元件，經(jīng)過多年發(fā)展，目前已經(jīng)逐步運(yùn)用于航空、航天、軍事工業(yè)等需要實(shí)現(xiàn)伺服控制的場(chǎng)合。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在伺服閥設(shè)計(jì)工藝中的應(yīng)用，電液伺服閥逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，由過往的機(jī)械式控制逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的控制，使得此類電液伺服閥具有控制精度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)參方便的優(yōu)點(diǎn)。作為電液伺服控制系統(tǒng)的“靈魂”，伺服控制軟件是伺服閥控制輸出邏輯具體實(shí)現(xiàn)，應(yīng)具備采集信號(hào)、計(jì)算輸出、故障策略、用戶交互等功能。

最簡(jiǎn)單最常用的伺服控制系統(tǒng)如圖1所示，單個(gè)控制芯片負(fù)責(zé)控制對(duì)應(yīng)的電液伺服閥。這種伺服控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基本的伺服控制功能，但由于控制回路不具有備份余度，一旦控制輸出或者信號(hào)采集發(fā)生故障，整個(gè)伺服控制系統(tǒng)便無法正常工作，整個(gè)控制系統(tǒng)的魯棒性差。因此，伺服控制系統(tǒng)往往設(shè)計(jì)成多余度架構(gòu)，當(dāng)單個(gè)余度出現(xiàn)故障時(shí)，其他余度的控制回路仍然能夠正常工作。最典型的雙余度伺服控制系統(tǒng)如圖2所示。本文提出一種雙余度伺服控制系統(tǒng)架構(gòu)下的控制軟件設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在雙余度伺服控制系統(tǒng)中正常工作，并有效地處理伺服發(fā)生的故障。

1 軟件模塊設(shè)計(jì)

與單余度伺服控制系統(tǒng)相比，雙余度伺服控制系統(tǒng)擁有更多伺服控制回路，使得整個(gè)系統(tǒng)的安全性更高，同時(shí)系統(tǒng)也變得更加復(fù)雜，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，則難以穩(wěn)定控制。作為雙余度伺服控制系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”，雙余度伺服控制軟件應(yīng)做到揚(yáng)長(zhǎng)避短，解決如下兩個(gè)問題：

（1）通過特定策略控制系統(tǒng)中兩個(gè)余度進(jìn)行協(xié)同工作;

（2）當(dāng)伺服系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，需要執(zhí)行相應(yīng)的故障策略，以控制整個(gè)伺服系統(tǒng)正常工作。

為了解決以上問題，本文提出的雙余度伺服控制系統(tǒng)軟件如圖3所示。伺服控制軟件A和B采集控制指令①和被控伺服反饋信號(hào);②通過計(jì)算得到硬件控制輸出;③控制被控伺服對(duì)象按照控制指令①的要求進(jìn)行作動(dòng)。此外，伺服控制軟件A和B分別向伺服CPU數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)區(qū)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)④，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作和故障策略。

伺服控制軟件A和伺服控制軟件B完全相同，各個(gè)模塊功能及之間的數(shù)據(jù)流向如圖4所示。如圖所示，整個(gè)控制軟件共可以分為7個(gè)模塊，按照IPO（輸入——處理——輸出）的分類方式，可以將這些模塊分為三大類，分別為伺服信號(hào)的獲取、伺服信號(hào)的處理和控制信號(hào)的輸出。

1.1 伺服信號(hào)的獲取

伺服信號(hào)的獲取包括解析伺服指令模塊、傳感器采集處理模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送接收模塊。CPU通過解析伺服指令模塊，將外部信號(hào)①轉(zhuǎn)化為具體的伺服控制指令⑤。通過傳感器采集處理模塊，得到伺服反饋信號(hào)⑥。通過數(shù)據(jù)發(fā)送接收模塊，獲取到對(duì)方CPU發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，包括對(duì)方CPU采集伺服反饋信號(hào)（14）、對(duì)方CPU控制律信息（12）和對(duì)方CPU故障信息（13）。

1.2 伺服信號(hào)的處理

伺服信號(hào)的處理包括余度管理模塊、伺服控制律計(jì)算模塊和故障處理模塊。

1.2.1 余度管理模塊

由于雙余度伺服控制系統(tǒng)中，每個(gè)余度之間存在差異性，所以本通道采集的伺服反饋信號(hào)⑥與對(duì)方CPU采集伺服反饋信號(hào)（14）之間，必然存在細(xì)微的差異。為了保證信號(hào)的一致性，余度管理模塊通過雙余度表決算法，對(duì)信號(hào)⑥和（14）進(jìn)行表決處理，得到表決后的傳感器信號(hào)⑦和相應(yīng)的表決故障⑧，保證了⑦和⑧信號(hào)的一致性。雙余度表決算法的表決流程圖如圖5所示。

1.2.2 故障處理模塊

故障處理模塊負(fù)責(zé)監(jiān)視傳感器表決故障⑧和硬件輸出故障信息（11）。當(dāng)發(fā)生傳感器表決故障時(shí)，控制芯片無法獲取準(zhǔn)確的伺服反饋信號(hào);當(dāng)發(fā)生硬件輸出故障時(shí)，伺服硬件無法輸出所需要的控制信號(hào)。無論哪種情況，一旦放生，均會(huì)導(dǎo)致伺服閉環(huán)回路不可控，應(yīng)視為伺服發(fā)生故障。

此外，為了協(xié)調(diào)兩個(gè)CPI共同工作，故障處理模塊設(shè)計(jì)了表1所示的故障邏輯：通過結(jié)合本CPU的伺服故障信息和對(duì)方CPU的伺服故障信息（13），統(tǒng)籌得到故障控制策略⑨。

其中，伺服故障控制字Half表示：控制芯片A和控制芯片B均能夠正?？刂疲瑑烧吖餐刂?。伺服故障控制字AFull表示：控制芯片A工作正常，控制芯片B伺服異常，由控制芯片A完全控制電液伺服閥。伺服故障控制字BFull的含義與AFull恰好相反，由控制芯片B完全控制電液伺服閥。伺服故障控制字None表示：控制芯片A和控制芯片B均檢測(cè)到伺服異常，A和B均關(guān)閉輸出，伺服控制電路屬于完全故障狀態(tài)。

1.2.3 伺服控制律計(jì)算模塊

伺服控制律計(jì)算模塊根據(jù)伺服控制指令⑤、表決后的傳感器信號(hào)⑦和故障控制策略⑨，計(jì)算得到實(shí)際輸出控制量⑩。最終輸出與伺服故障控制字之間的響應(yīng)關(guān)系如表2所示。

其中，Out為本CPU最終輸出的控制信號(hào)，u為本CPU經(jīng)過PID計(jì)算后的理論輸出信號(hào)。

由于PID算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)參方便等優(yōu)點(diǎn)，是一種技術(shù)成熟、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制算法，非常適合用于類似于伺服控制這種被控對(duì)象簡(jiǎn)單、控制魯棒性要求高的場(chǎng)合，所以軟件采用PID算法作為控制律。PB）基本計(jì)算公式如下所示。

在實(shí)際控制過程中，由于電子控制器運(yùn)行過程中會(huì)受到外部干擾，導(dǎo)致兩個(gè)CPI的PID模塊計(jì)算數(shù)值或多或少會(huì)產(chǎn)生不均衡現(xiàn)象。在伺服系統(tǒng)根據(jù)伺服故障控制字進(jìn)行CPU控制切換的過程中，如果兩個(gè)CPU計(jì)算值相差太大，會(huì)導(dǎo)致切換過程中引發(fā)不必要的波動(dòng)。

為了減小兩個(gè)CPU之間控制律的差異，伺服控制律計(jì)算模塊應(yīng)該根據(jù)對(duì)方CPI控制律信息（12）對(duì)算法進(jìn)行校正。對(duì)于PID控制算法來說，用于校正的控制律信息為PID計(jì)算過程中的積分項(xiàng)，具體的校正的算法邏輯如表3所不。

其中，Ui為本CPU最終計(jì)算得到的積分，ui為本CPU進(jìn)行PID計(jì)算過程中的積分信號(hào)，ui_xc為對(duì)方CPU進(jìn)行PID計(jì)算過程中的積分信號(hào)。

1.3 控制信號(hào)的輸出

控制信號(hào)的輸出包括數(shù)據(jù)發(fā)送接收模塊和硬件接口輸出模塊。數(shù)據(jù)發(fā)送接收模塊除了前文描述，需要接收相關(guān)數(shù)據(jù)之外，還要將本通道的伺服反饋信號(hào)、控制律信息、通道故障策略發(fā)送至對(duì)方 CPU，形成數(shù)據(jù)交換。

硬件接口輸出模塊負(fù)責(zé)將控制律計(jì)算所得實(shí)際輸出控制量⑩轉(zhuǎn)換為硬件控制輸出③，控制被控伺服對(duì)象;此外，通過硬件電路設(shè)置，獲取硬件電路的工作情況，形成硬件輸出故障信息（11）。

2 軟件控制流程設(shè)計(jì)

整個(gè)伺服軟件的控制流程為串行方式，只有當(dāng)執(zhí)行完前一個(gè)模塊功能之后，才會(huì)執(zhí)行接下來的模塊功能。在一個(gè)控制周期中（以5ms為例），雙余度伺服控制軟件的控制流程如圖6所示。優(yōu)先執(zhí)行伺服信號(hào)的獲取，包括數(shù)據(jù)接收、解析伺服指令和傳感器采集。其次執(zhí)行信號(hào)的處理，包括余度管理、故障處理和伺服控制律計(jì)算。最后執(zhí)行信號(hào)的發(fā)送，包括硬件接口輸出和數(shù)據(jù)發(fā)送。

3 軟件運(yùn)行結(jié)果

針對(duì)故障控制策略和校正的PID算法進(jìn)行了Matlab仿真，以驗(yàn)證故障控制策略的正確性。

按照雙余度伺服控制軟件模塊設(shè)計(jì)得到的軟件進(jìn)行實(shí)際控制，對(duì)某個(gè)伺服回路進(jìn)行控制后的效果如圖7所示。

圖7中綠色曲線為伺服的給定值，紅色曲線為伺服的反饋采集值，可以看出反饋采集值始終跟隨給定值，控制性能良好。Half、AFull、BFull、None分別為伺服故障控制字，雙余度伺服首先是兩個(gè)余度均能夠正常工作，共同控制，接著切換為B余度發(fā)生伺服故障，A余度單獨(dú)控制，最后B余度恢復(fù)，A余度發(fā)生伺服故障，B余度單獨(dú)控制。可以看出，整個(gè)系統(tǒng)在不同余度控制時(shí)，反饋采集值跟隨給定值性能良好，沒有出現(xiàn)明顯波動(dòng)，驗(yàn)證了本方法的有效性。

4 結(jié)束語

本文描述了一種適用于雙余度伺服控制系統(tǒng)架構(gòu)的控制軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)雙余度系統(tǒng)的協(xié)調(diào)輸出和故障邏輯，已經(jīng)成功應(yīng)用于項(xiàng)目中，其特點(diǎn)在于：

（1）模塊劃分合理清晰，模塊之間為高內(nèi)聚低耦合;

（3）采用雙余度表決算法和校正后的PID算法，保證了雙余度系統(tǒng)中的兩個(gè)CPU運(yùn)算結(jié)果一致，便于實(shí)現(xiàn)雙余度系統(tǒng)控制信號(hào)在兩個(gè)CPI之間的靈活切換;

（4）采用故障策略，既能保證雙余度共同工作，又能保證了在單個(gè)余度故障的情況下，整個(gè)系統(tǒng)仍然能夠正常輸出。

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