基于dSPACE的“硬件在回路”導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真*

陳 韻，馬清華，王 根，苗昊春，劉 琳

(1 西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院， 西安 710072； 2 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所， 西安 710065)

0 引言

導(dǎo)彈控制系統(tǒng)是導(dǎo)彈的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一，具有功能多，構(gòu)成復(fù)雜，可靠性要求高等特點(diǎn)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的突破，機(jī)電控制技術(shù)的日益成熟，導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也提高到一個(gè)新的階段?！坝布诨芈贰痹O(shè)計(jì)與仿真，由于在設(shè)計(jì)回路中實(shí)時(shí)引入控制回路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與數(shù)字回路的設(shè)計(jì)方法相比，具有更高的真實(shí)度，是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中置信度最高的一種設(shè)計(jì)方法[1]。

文中研究了一種基于dSPACE仿真平臺的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)“硬件在回路”設(shè)計(jì)與仿真方法，它采用主機(jī)+目標(biāo)機(jī)的結(jié)構(gòu)布局，利用MATLAB/Simulink強(qiáng)大的模型建立功能[2]，豐富的數(shù)學(xué)計(jì)算功能和dSPACE仿真機(jī)成熟的硬件支持能力、高效的代碼編譯能力，實(shí)時(shí)的硬件仿真能力，可以高效率、高質(zhì)量的完成導(dǎo)彈控制系統(tǒng)“硬件在回路”的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

1 基于dSPACE的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺

dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/ Simulink的控制系統(tǒng)在實(shí)時(shí)環(huán)境下的開發(fā)及測試工作平臺，實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink的無縫連接。dSPACE具有強(qiáng)大的功能，可以很好地完成控制算法的設(shè)計(jì)、測試和實(shí)現(xiàn)，并為這一套并行工程提供一個(gè)良好的環(huán)境。

在硬件方面，dSPACE系統(tǒng)以高性能的中央處理器板卡為運(yùn)算核心，利用功能完備的對外輸入/輸出板卡實(shí)現(xiàn)信號的采集和輸出；dSPACE的軟件環(huán)境主要由兩大部分組成，一部分是實(shí)時(shí)代碼生成和下載軟件RTI，它是dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)與MATLAB/Simulink紐帶，通過對RTW進(jìn)行擴(kuò)展，可以實(shí)時(shí)從Simulink模型到dSPACE實(shí)時(shí)硬件代碼的自動下載；另一部分為測試軟件，主要是綜合試驗(yàn)與測試環(huán)境(軟件)ControlDesk，用于實(shí)時(shí)仿真過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測及數(shù)據(jù)記錄等?；赿SPACE的“硬件在回路”設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 基于dSPACE的“硬件在回路”設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主計(jì)算機(jī)主要進(jìn)行MATLAB/Simulink下導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的純數(shù)字離線設(shè)計(jì)與仿真，同時(shí)運(yùn)行ControlDesk等實(shí)驗(yàn)測試軟件。dSPACE硬件平臺通過局域網(wǎng)與主機(jī)相連，通過A/D，D/A接口與舵機(jī)相連。舵機(jī)是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過執(zhí)行舵指令驅(qū)動舵翼偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)彈飛行過程中產(chǎn)生控制力及控制力矩。通過上述dSPACE平臺的搭建，將舵機(jī)實(shí)物引入導(dǎo)彈控制回路的設(shè)計(jì)與仿真中。

2 控制系統(tǒng)在線設(shè)計(jì)流程

基于dSPACE的 “硬件在回路”設(shè)計(jì)流程如圖2所示。主要的流程包括[1]：

1)建立導(dǎo)彈控制系統(tǒng)模型，參數(shù)在線設(shè)計(jì)時(shí)是簡單的回路設(shè)計(jì)模型，系統(tǒng)驗(yàn)證過程時(shí)是完整的導(dǎo)彈六自由度仿真模型；

2)基于MATLAB/Simulink進(jìn)行控制系統(tǒng)分析及離線仿真；

3)利用MATLAB實(shí)時(shí)工作庫(RTW)與dSPACE系統(tǒng)的實(shí)時(shí)接口庫(RTI)，定義算法及I/O接口；

4)編譯后自動生成目標(biāo)程序代碼，下載到dSPACE系統(tǒng)中；

5)結(jié)合ControlDesk等工具軟件，對控制回路運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、參數(shù)在線修改、數(shù)據(jù)捕獲及與上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)“硬件在回路”的設(shè)計(jì)與仿真。

圖2 基于dSPACE的“硬件在回路”設(shè)計(jì)流程

3 舵機(jī)模型辨識

3.1 舵機(jī)辨識基本原理

舵機(jī)作為導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中存在齒輪傳動機(jī)構(gòu)，即在控制回路中代入傳動機(jī)構(gòu)的間隙這一非線性因素，由于加工精度和裝配上的限制，間隙往往是難以避免的。

間隙特性對控制系統(tǒng)性能的主要影響：一是增大了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，降低了控制精度，這相當(dāng)于死區(qū)的影響；二是使系統(tǒng)過渡過程的振蕩加劇，甚至使系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定。間隙過大，蓄能過多，將會造成系統(tǒng)自振。因此舵機(jī)模型的準(zhǔn)確性直接影響控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

因此在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，基于dSPACE系統(tǒng)進(jìn)行舵機(jī)模型辨識，在典型輸入特征信號的條件下建立更精確的舵機(jī)數(shù)學(xué)模型，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確的被控對象，提高控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。

舵機(jī)模型辨識原理如圖3所示，運(yùn)用頻率響應(yīng)測試來確定舵機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[4-5]。

圖3 舵機(jī)模型辨識原理框圖

在RTI模塊中選擇相應(yīng)的板卡作為舵機(jī)的I/O接口，舵機(jī)實(shí)物的指令輸入端、舵反饋輸出端與實(shí)時(shí)接口相連接，建立舵機(jī)RTI模型和模型辨識Simulink模型，如圖4、圖5所示。將舵機(jī)模型辨識Simulink模型下載至dSPACE系統(tǒng)中，給舵機(jī)RTI模型輸入標(biāo)準(zhǔn)信號通過ControlDesk實(shí)時(shí)監(jiān)控測試過程、采集數(shù)據(jù)。

圖4 舵機(jī)RTI模型

圖5 舵機(jī)測試模型

3.2 舵機(jī)模型辨識結(jié)果

給舵機(jī)輸入典型的正弦波信號A0sin(2πft)，根據(jù)舵機(jī)輸出信號，處理該頻率f特性下幅值衰減和相位延遲。對比舵機(jī)響應(yīng)信號的幅值A(chǔ)1和輸入信號的幅值A(chǔ)0，可以得到舵機(jī)在該頻率下的幅值衰減為:

(1)

在半個(gè)周期內(nèi)的增區(qū)間或者減區(qū)間，分別讀取幅值相等時(shí)輸入信號對應(yīng)的時(shí)刻t0和舵機(jī)實(shí)際響應(yīng)對應(yīng)的時(shí)刻t1。因?yàn)檩斎胄盘柕念l率為f，則輸入信號的周期為t=1/f，可以計(jì)算出該頻率特性下舵機(jī)的相位滯后為:

(2)

設(shè)置多個(gè)頻率點(diǎn)獲取舵機(jī)在不同特性信號下的幅值衰減、相位延遲，將測量結(jié)果及對應(yīng)的不同頻率點(diǎn)代入MATLAB辨識工具可獲得舵機(jī)初步辨識模型，表示為：

(3)

式中m

此時(shí)獲得的舵機(jī)辨識模型在高頻段仍然含有較大誤差，為了獲得更為精確的辨識結(jié)果，需要進(jìn)一步采用權(quán)重因子法對舵機(jī)辨識模型進(jìn)行優(yōu)化。舵機(jī)模型式對應(yīng)的頻率響應(yīng)可寫成：

(4)

由于求解的模型參數(shù)為已知，則根據(jù)給定的頻率點(diǎn)ω，可解得系統(tǒng)擬合誤差為：

E(ω)=ε(ω)D(ω)=G(jω)D(ω)-N(ω)

(5)

由此，可進(jìn)一步解得回歸分析評價(jià)函數(shù)：

(6)

由于高頻數(shù)據(jù)對于辨識結(jié)果的求取影響很小，導(dǎo)致高頻段辨識效果較差。為了提高算法的高頻辨識精度，可在上述公式基礎(chǔ)上引入合適的權(quán)重因子來改善算法在高頻段的辨識性能。式(6)可改寫為：

(7)

可以看出，在高頻段當(dāng)ω取值較大時(shí)，K值越大。而σ取值較為靈活，ω不變時(shí)，取值越大對辨識參數(shù)的影響也越大。對J求各未知系數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)，并進(jìn)一步由偏導(dǎo)數(shù)公式很方便地求解出舵機(jī)模型未知參數(shù)。經(jīng)測試分析計(jì)算，某舵機(jī)數(shù)學(xué)模型可表示為：

(8)

4 “硬件在回路”設(shè)計(jì)與仿真

4.1 “硬件在回路”過載自動駕駛儀設(shè)計(jì)

以某導(dǎo)彈過載自動駕駛儀設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行“硬件在回路”設(shè)計(jì)與仿真研究。比例導(dǎo)引過載駕駛儀回路結(jié)構(gòu)如圖6所示，這是目前國內(nèi)外導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中廣泛采用的線加速度計(jì)+速率陀螺的控制方案。

圖6 過載駕駛儀回路結(jié)構(gòu)圖

過載駕駛儀回路由阻尼控制回路和過載控制回路組成。速率陀螺測量角速度量，通過阻尼控制器組成阻尼控制內(nèi)回路；線加速度計(jì)測量過載信號作為反饋，通過過載駕駛儀形成制導(dǎo)外回路。

利用MATLAB實(shí)時(shí)工作庫(RTW)與dSPACE系統(tǒng)的實(shí)時(shí)接口庫(RTI)，定義算法及I/O接口，將舵機(jī)實(shí)物引入設(shè)計(jì)與仿真回路。舵機(jī)的輸入輸出均為模擬信號，建立舵機(jī)RTI模型如圖4所示，dSPACE系統(tǒng)通過D/A接口給舵機(jī)發(fā)送模擬指令，并從A/D接口采集舵機(jī)電位計(jì)反饋信號。用舵機(jī)RTI模型代替三階數(shù)字模型，建立過載駕駛儀回路RTI模型，如圖7所示。將該模型編譯后生成目標(biāo)程序代碼，下載到dSPACE系統(tǒng)中進(jìn)行“硬件在回路”控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖8給出了基于ControlDesk軟件的控制系統(tǒng)在線設(shè)計(jì)試驗(yàn)監(jiān)控界面，“試驗(yàn)管理器”控制仿真過程的啟動、暫停與結(jié)束；將需要設(shè)計(jì)的參數(shù)關(guān)聯(lián)為可調(diào)滑塊，如圖中的“硬件在回路”參數(shù)編輯器部分，根據(jù)實(shí)時(shí)響應(yīng)曲線調(diào)整控制器的參數(shù)，直至系統(tǒng)響應(yīng)滿足要求。由于真實(shí)的舵機(jī)與數(shù)字舵機(jī)模型之間有差異，硬件在回路的階躍響應(yīng)結(jié)果與離線設(shè)計(jì)結(jié)果有差異，需要對控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，在控制器1～控制器4 的作用下，控制回路的階躍響應(yīng)有較明顯的區(qū)別，其中控制器1的作用結(jié)果是系統(tǒng)快速性好，但有較大的超調(diào)量且調(diào)節(jié)過程長；而在控制器4的作用下系統(tǒng)響應(yīng)慢，沒有超調(diào)量，為過阻尼系統(tǒng)；控制器3的超調(diào)量及快速性能較好的滿足系統(tǒng)要求。

圖7 過載駕駛儀回路RTI模型

圖8 “硬件在回路”過載自動駕駛儀設(shè)計(jì)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)

4.2 “硬件在回路”六自由度全彈道仿真

建立某導(dǎo)彈六自由度MATLAB/Simulink模型，如圖9所示，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，包括空氣動力模塊(AeroDynamics)、運(yùn)動方程模塊(Equation of Motion)，制導(dǎo)控制模塊(Control _Model)、慣性導(dǎo)航裝置模塊(Inertia)、目標(biāo)模塊(Target)、導(dǎo)引頭模塊(Seekers)、舵機(jī)RTI模塊(Actuator，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示)。

圖10給出了基于ControlDesk軟件的導(dǎo)彈“硬件在回路”六自由度全彈道仿真試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)仿真曲線的實(shí)時(shí)監(jiān)測與仿真數(shù)據(jù)的采集存儲。

5 結(jié)論

文中研究了基于dSPACE的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺，給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)流程，結(jié)合舵機(jī)模型辨識、RTI模型建立及目標(biāo)代碼生成、導(dǎo)彈控制系統(tǒng)建模，最終實(shí)現(xiàn)硬件在回路的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物舵機(jī)引入導(dǎo)彈控制回路的設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的數(shù)字離線仿真過程到“硬件在回路”的設(shè)計(jì)與仿真，克服了傳統(tǒng)純數(shù)字仿真不能真實(shí)代表實(shí)際系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高了導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作效率及可靠性。

圖9 導(dǎo)彈六自由度MATLAB/Simulink模型

圖10 “硬件在回路”六自由度全彈道仿真試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)