弧齒型位標(biāo)器伺服系統(tǒng)半實物仿真

茅德旺 張 凱 劉 琴 朱新勃

(1.西安電子工程研究所 西安 710100； 2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所 西安 710065)

0 引言

位標(biāo)器位于導(dǎo)引頭最前端，主要功能是隔離彈體擾動，為導(dǎo)彈比例導(dǎo)引提供準(zhǔn)確的末制導(dǎo)信息，因此位標(biāo)器控制系統(tǒng)必須具有良好的動態(tài)性能。位標(biāo)器控制系統(tǒng)的開發(fā)周期一般較長，因為設(shè)計人員在進行算法設(shè)計之后需要手動編程將正確的代碼置于控制器內(nèi)執(zhí)行，整個過程涉及軟件編寫及調(diào)試，較為耗時。本文利用NI控制卡搭建的半實物仿真平臺是一個基于Simulink的自動代碼生成環(huán)境，可以使數(shù)學(xué)模型建立不準(zhǔn)確的實際控制對象接入仿真平臺，使得仿真結(jié)果更加具有實用性，它能夠快速對控制效果進行測試，方便不同控制算法的對比分析，可以有效縮短位標(biāo)器控制系統(tǒng)開發(fā)周期[1-2]。

1 位標(biāo)器工作原理及系統(tǒng)組成

分析位標(biāo)器工作過程可知[3-4]，其工作模式主要為置位模式和跟蹤模式。置位模式即根據(jù)上位機發(fā)送的基座角度指令實現(xiàn)天線的快速置位；跟蹤模式即根據(jù)上位機提供的角誤差信息完成閉環(huán)跟蹤，并隔離彈體擾動[5-6]。為實現(xiàn)上述功能，本文設(shè)計的弧齒型位標(biāo)器采用方位/俯仰兩自由度結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 方位自由度示意圖

圖2 俯仰自由度示意圖

圖1中方位框架為內(nèi)框架，圖2中俯仰框架為外框架，通過軸承連接在一起，框架之間可以相互轉(zhuǎn)動。除結(jié)構(gòu)框架之外，位標(biāo)器系統(tǒng)還有兩軸速率陀螺儀、直流力矩電機、角位置傳感器、光電傳感器等。

2 半實物仿真平臺搭建

2.1 系統(tǒng)框架

半實物仿真系統(tǒng)屬于虛實結(jié)合的實時仿真系統(tǒng)，在仿真回路中加入部分硬件設(shè)備構(gòu)成半實物仿真環(huán)境。本文所搭建的半實物仿真平臺由控制及采集系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)、性能評估等組成，具備數(shù)字I/O、模擬量輸入/輸出、功率放大、多種通訊接口等，系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 半實物仿真平臺系統(tǒng)組成

圖3中仿真系統(tǒng)用于完成位標(biāo)器伺服系統(tǒng)的算法驗證，可利用Simulink軟件，搭建伺服系統(tǒng)仿真模型，以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計?？刂萍安杉到y(tǒng)用于完成位標(biāo)器伺服系統(tǒng)的驅(qū)動、控制及傳感器信號的采集，可方便得到被控對象的工作電流、速度和角位置等信息。性能評估系統(tǒng)用于完成伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)測試、評估和人機交互，可實時數(shù)據(jù)在線監(jiān)控，并與需求值進行比較。

2.2 主要接口

2.2.1 仿真機

仿真機作為整個系統(tǒng)應(yīng)用功能的實現(xiàn)載體，運行著軟件系統(tǒng)生成的實時仿真代碼，并為監(jiān)控界面提供所需的反饋信息，通過I/O端口訪問和A/D信息采集，使模型算法與實物設(shè)備構(gòu)成閉環(huán)。本文仿真機通過總線機箱將各功能板卡集成在一起，如圖4所示。圖中機箱選用NI-PXI-1042，具備8槽PXI總線接口，功能板卡主要有控制器卡、多功能IO卡、D/A板卡、CAN通訊板卡和串口板卡等。

圖4 仿真機外形圖

2.2.2 H橋驅(qū)動板

驅(qū)動板設(shè)計由雙臂H橋電路、高功率驅(qū)動芯片IR2132S及其自舉電路、濾波電路等組成如圖5所示；圖中4只MOSFET功率開關(guān)IRFR3412PbF組成H橋電路，根據(jù)PWM信號控制功率開關(guān)來驅(qū)動直流電機，28V供電，最大輸出電流6A，具備電流采樣、過流保護等功能。濾波電路用于提高功率因數(shù)，改善驅(qū)動電路的電氣特性，提高控制器的可靠性。

圖5 H橋驅(qū)動板

2.2.3 通訊模塊

除了A/D和D/A功能外，本文設(shè)計了專用通訊模塊，預(yù)留有SPI接口和SSI接口等，用于將陀螺速度信息和其他光電傳感器信息接入仿真機模型中，其中利用ADM2682EBRIZ設(shè)計的SSI通訊接口如圖6所示。

圖6 SSI通訊接口

3 半實物仿真平臺軟件設(shè)計

3.1 軟件功能設(shè)計

本文利用Matlab的RTW(Real-time Workshop)模塊進行仿真軟件設(shè)計，它是一個基于Simulink的自動代碼生成環(huán)境，可根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)配置自動生成多種環(huán)境下的優(yōu)化的、可移植的和個性化的可執(zhí)行C/C++代碼，該代碼可在PC機、DSP以及商業(yè)化實時操作系統(tǒng)等環(huán)境下運行，整個系統(tǒng)仿真示意圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)仿真示意圖

為了將陀螺和其他傳感器信息與仿真機內(nèi)核中Simulink環(huán)境無縫銜接，需要安裝通用I/O板卡圖形化驅(qū)動軟件包，該軟件包提供通用I/O板卡驅(qū)動，包括模擬輸入板卡、模擬輸出板卡、數(shù)字輸入輸出板卡以及多功能定時器板卡，各板卡輸入輸出接口經(jīng)封裝為Simulink模塊庫如圖8所示。除了通用I/O接口模塊，本文還設(shè)計開發(fā)了雙直流電機控制板卡，其中PWM模塊用于產(chǎn)生電機驅(qū)動的PWM控制信號，對應(yīng)的Simulink接口模塊如圖9所示。

圖8 I/O板卡Simulink模塊庫

圖9 PWM Simulink模塊庫

3.2 軟件實現(xiàn)

為便于對仿真過程進行綜合管理，上位機監(jiān)控界面需要能夠訪問設(shè)備上運行的實時仿真程序并在線調(diào)試、監(jiān)控、采集計算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。因此，本文編寫的上位機界面如圖10所示，它不僅可以方便快捷的控制下位機實時仿真模型加載、啟動、停止，實現(xiàn)仿真參數(shù)的在線調(diào)整，也能以動畫、圖表、曲線和虛擬面板的形式顯示和存儲仿真數(shù)據(jù)，完成測試所需功能。

圖10 上位機監(jiān)控界面

4 位標(biāo)器半實物仿真測試

4.1 位標(biāo)器控制系統(tǒng)

本文根據(jù)位標(biāo)器伺服平臺的工作原理及性能要求，采用板卡驅(qū)動軟件實現(xiàn)控制模型與外部接口的連接，實現(xiàn)對J38LYX010型直流力矩電機的閉環(huán)控制，設(shè)計的控制系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 位標(biāo)器控制系統(tǒng)框圖

圖11中位標(biāo)器控制系統(tǒng)設(shè)計為三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，電流環(huán)與速度環(huán)屬于伺服系統(tǒng)的內(nèi)部雙閉環(huán)，通過提高電流的穩(wěn)定性和XK109C型光纖速率陀螺的反饋精度來增強系統(tǒng)的剛度，達(dá)到抑制系統(tǒng)的非線性及外部擾動的目的。外環(huán)主要是敏感目標(biāo)軸和視軸之間的夾角，通過外環(huán)的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)視軸和目標(biāo)軸之間的角度誤差的控制，用來保證控制系統(tǒng)的精度。文中選用WR2001型電位計作為測角單元，它比一般光電碼盤、同步機測角元件體積小、重量輕、壽命長、可靠性高。

4.2 閉環(huán)PID控制仿真測試

本文位標(biāo)器控制系統(tǒng)設(shè)計為圖11所示的三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，兩個電機的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)均采用經(jīng)典PID控制器，其基本組成及Simulink模型如圖12所示。該控制器由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。r_reference為設(shè)定值，r_back為傳感器測量的反饋值，u為經(jīng)PID控制器計算后的控制量。

圖12 PID控制原理框圖及模型

使用PID控制器建立位標(biāo)器三閉環(huán)控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型如圖13所示，設(shè)定目標(biāo)指令，并且將位標(biāo)器實際位置、轉(zhuǎn)速、電流信息通過個板卡采集，經(jīng)閉環(huán)控制器Controller計算得到實際PWM占空比，再經(jīng)PWM輸出板卡將PWM輸出給電機驅(qū)動板，從而實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的半實物仿真。

圖13 伺服控制算法模型示意圖

圖13中DAQ是封裝后的信息采集模塊，包含A/D模擬量采集和SPI通訊接口，通過該模塊可得位標(biāo)器的電機電流，陀螺速度以及電位計的角度信息。Actual_i和Actual_i1為兩個軸的電機電流反饋，Actual_n和Actual_n1為兩個軸的速度反饋，Actual_position和Actual_position1為兩個軸的位置反饋。控制器Controller包含位置環(huán)PID控制器，速度環(huán)PID控制器以及電流環(huán)PID控制器，PWM_duty1和PWM_duty2分別為經(jīng)控制器Controller計算得到的PWM控制信號。利用該仿真模型，不斷調(diào)節(jié)控制器中的PID參數(shù)來優(yōu)化控制算法，最終得到的控制器參數(shù)如表1所示。

表1 經(jīng)仿真優(yōu)化的PID控制器參數(shù)

該控制參數(shù)下，分別以-1°到5°的階躍信號和頻率為0.5Hz，幅值為3°的正弦信號為目標(biāo)位置輸入信號，通過仿真機I/O板卡獲取不同仿真條件下，位標(biāo)器方位軸的位置變化曲線如圖14至圖16所示。分析階躍響應(yīng)曲線如圖14可知，系統(tǒng)能夠快速進入穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)時間小于0.2s，且無超調(diào)，穩(wěn)態(tài)誤差較?。环治稣腋S曲線(圖15)和誤差曲線(圖16)可知，正弦跟隨試驗中，系統(tǒng)可以很好地跟隨目標(biāo)位置，最大跟隨誤差為±0.5°。因此，本文所建立的控制系統(tǒng)具有較好的位置穩(wěn)定精度和響應(yīng)速度。

圖14 位置階躍響應(yīng)曲線

圖15 位置正弦跟隨曲線

圖16 正弦跟隨誤差曲線

除了具備較好的置位精度外，位標(biāo)器控制系統(tǒng)還需具備較好的穩(wěn)速功能，因此分別給定位標(biāo)器方位軸±1°/s和±4°/s的速度輸入指令，通過仿真機SPI通訊接口獲取方位軸速度隨時間變化曲線如圖17和圖18所示。分析圖17速度階躍響應(yīng)曲線可知，系統(tǒng)上升時間小于0.2s，且無超調(diào)，靜態(tài)誤差較小。分析圖18方波跟隨曲線可知，系統(tǒng)能很快進入穩(wěn)定狀態(tài)，超調(diào)較小。因此，本文基于XK109C型光纖速率陀螺所搭建的位標(biāo)器系統(tǒng)速度穩(wěn)定，靜態(tài)誤差小。

圖17 ±1°/s速度階躍響應(yīng)曲線

圖18 ±4°/速度方波跟隨曲線

5 結(jié)束語

本文分析了弧齒型位標(biāo)器的工作原理和基本組成，并利用NI控制卡搭建了半實物仿真平臺，基于該平臺初步對弧齒型位標(biāo)器閉環(huán)PID控制進行仿真測試，測試結(jié)果表明使用該方法設(shè)計的位標(biāo)器系統(tǒng)具有較高的控制精度，而且明顯縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，后續(xù)可利用該平臺針對位標(biāo)器控制系統(tǒng)做進一步優(yōu)化設(shè)計。