基于NI實(shí)時(shí)控制器的六自由度平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100081)

0 引言

六自由度平臺(tái)是一種模擬航天器空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的模擬器，在其行程范圍內(nèi)可以模擬任意空間運(yùn)動(dòng)。六自由度是平臺(tái)具有六個(gè)自由運(yùn)動(dòng)的維度，即縱向、升降、橫向、俯仰、橫滾、偏航[1]。通過(guò)對(duì)6個(gè)液壓作動(dòng)器的精確控制和解藕算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的6個(gè)自由度的位姿控制。其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 六自由度平臺(tái)示意圖

六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)既定的軌跡的跟蹤，作為運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)有著廣泛的應(yīng)用：

1)可以作為航空飛行模擬器；

2)可以作為機(jī)器人的模擬運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；

3)在娛樂(lè)界可以作為體感模擬娛樂(lè)機(jī)；

4)用作飛機(jī)、船舶、潛艇、航天器等運(yùn)動(dòng)載體中相關(guān)儀器設(shè)備的試驗(yàn)。

本文主要依托NI的虛擬儀器研究了六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制策略，解決了高可靠、高實(shí)時(shí)的控制需求[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合成了目前測(cè)控發(fā)展的一個(gè)重要方向，這種結(jié)合有兩種方式：一種是只智能化儀器，將計(jì)算機(jī)裝入儀器；另一種是虛擬儀器，將儀器裝入計(jì)算機(jī)，以通用的計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。

本測(cè)控系統(tǒng)選擇虛擬儀器，以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義、具有仿真面板、由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)，這增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和靈活性。使用該控制策略的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下方面：

1)使用了基于NI的虛擬儀器，可以靈活配置各類板卡，增加了硬件的靈活性

2)選擇LabView開發(fā)軟件，簡(jiǎn)化軟件研制方式。LabVIEW是一種圖形化編程工具，使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，可提供大量的儀器面板中的控制對(duì)象，如表頭、旋鈕、圖表等。它有著專用的各種函數(shù)庫(kù)及數(shù)據(jù)處理與控制的開發(fā)工具。LabVIEW已經(jīng)成為測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域和圖形化編程語(yǔ)言方面事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

3)使用SIT混合編程解決了開發(fā)周期短和運(yùn)算過(guò)程復(fù)雜的矛盾。LabVIEW可以通過(guò)仿真接口工具包實(shí)現(xiàn)對(duì)MATLAB搭建的復(fù)雜控制模型的直接調(diào)用[4]。MATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)值分析、計(jì)算和繪圖功能，擁有強(qiáng)大的控制算法工具箱，可以完成復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析和仿真，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)的建模和仿真中。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

六自由度平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)是六自由度平臺(tái)的硬件與軟件集成的電氣設(shè)備，測(cè)控系統(tǒng)的控制如圖2所示，其中虛線框內(nèi)表示系統(tǒng)的被控對(duì)象。圖中反解模塊完成平臺(tái)六個(gè)自由度到六路液壓作動(dòng)器長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)換[5]；正解模塊完成從六路液壓作動(dòng)器長(zhǎng)度到平臺(tái)六個(gè)自由度的轉(zhuǎn)化；位置調(diào)節(jié)器采用了復(fù)雜的控制策略，能使系統(tǒng)具有較高的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

六自由度平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)復(fù)雜，需要測(cè)量和控制的信號(hào)多，實(shí)時(shí)性和可靠性要求高，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。因此，測(cè)控系統(tǒng)采用了上下位機(jī)分開的方式進(jìn)行控制，整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)可以分為上位機(jī)和實(shí)時(shí)控制部分四個(gè)部分，上位機(jī)主要完成對(duì)用戶指令的處理，顯示整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的情況，與實(shí)時(shí)控制器通信，與能源系統(tǒng)通過(guò)RS485通信等功能；實(shí)時(shí)控制部分主要完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)控制，包括對(duì)六路液壓作動(dòng)器的位置控制，實(shí)時(shí)計(jì)算正解模塊與反解模塊，與上位機(jī)的通信等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)硬件選擇NI的PXI總線控制器作為控制核心，配套高速隔離80通道數(shù)據(jù)采集卡、8通道16位D/A卡、24通道隔離I/O卡及2通道高速CAN卡，完成運(yùn)動(dòng)學(xué)的實(shí)時(shí)解算和各伺服作動(dòng)器回路的實(shí)時(shí)控制任務(wù)，硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。測(cè)控系統(tǒng)完成六路液壓作動(dòng)器位置閉環(huán)控制，每個(gè)液壓作動(dòng)器通過(guò)一路伺服閥信號(hào)，一路鎖緊閥來(lái)控制缸的伸縮運(yùn)動(dòng)情況。為匹配板卡與閥的硬件驅(qū)動(dòng)特性，硬件設(shè)計(jì)中加入電壓到電流的線性轉(zhuǎn)換電路，以匹配實(shí)時(shí)控制器發(fā)出的模擬信號(hào)到伺服閥的驅(qū)動(dòng)，加入電磁繼電器來(lái)提高板卡發(fā)出的I/O信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，以此來(lái)控制缸的運(yùn)動(dòng)情況。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

分析六自由度平臺(tái)的需求，測(cè)控系統(tǒng)需軟件要具有以下特點(diǎn)：

1)實(shí)時(shí)性高，對(duì)液壓作動(dòng)器的閉環(huán)控制周期要求為1～2 ms，使用Windows系統(tǒng)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性要求。

2)可靠性高，該系統(tǒng)是較大型的測(cè)控系統(tǒng)，如果測(cè)控系統(tǒng)故障，系統(tǒng)失控，可能會(huì)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成不可恢復(fù)的損傷；

3)計(jì)算量復(fù)雜，需要計(jì)算位姿變換的正解、反解模塊，以及對(duì)6路作動(dòng)器的閉環(huán)運(yùn)算；

4)測(cè)量與控制信號(hào)多，測(cè)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)6路液壓作動(dòng)器的閉環(huán)控制；

5)測(cè)量精度要求高。對(duì)于液壓作動(dòng)器上下腔之間壓力差的模擬信號(hào)采集要求較高，采集的精度會(huì)直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

六自由度平臺(tái)軟件屬于實(shí)時(shí)控制類嵌入式軟件，隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜度的逐漸上升，現(xiàn)在傳統(tǒng)工具很難降低編程工作的復(fù)雜度，因此嵌入式領(lǐng)域需要一種新的方法來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。基于文本編程的嵌入式應(yīng)用開發(fā)在將來(lái)不可能解決這些問(wèn)題，這已經(jīng)是許多業(yè)內(nèi)專家的共識(shí)。為了解決嵌入式系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)，LabVIEW的實(shí)時(shí)控制模塊RT應(yīng)運(yùn)而生[6]。它從基于文本的工具向圖形化工具的轉(zhuǎn)移來(lái)直觀地表達(dá)系統(tǒng)，解決嵌入式系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。LabVIEW通過(guò)簡(jiǎn)化嵌入式編程的復(fù)雜性，降低了對(duì)軟件人員在嵌入式設(shè)計(jì)流程中各個(gè)步驟的要求，同時(shí)提供了從設(shè)計(jì)到部署的一條捷徑，使得工程師和科學(xué)家們可以更快速地進(jìn)行重復(fù)設(shè)計(jì)。

六自由度平臺(tái)軟件選擇LabVIEW作為主要的開發(fā)工具，采用上下位機(jī)的架構(gòu)，把所有用戶交互功能放置到上位機(jī)，把復(fù)雜的控制算法和實(shí)時(shí)控制功能下位機(jī)實(shí)時(shí)控制器，解決了友好的用戶界面與實(shí)時(shí)運(yùn)算之間的矛盾。

3.2 用戶層設(shè)計(jì)

六自由度平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用NI公司的LabVIEW軟件作為開發(fā)工具。用戶應(yīng)用軟件需要完成友好的用戶操作界面、控制指令動(dòng)作和采集顯示六自由度的狀態(tài)信息，該部分設(shè)計(jì)的20 ms定時(shí)中斷對(duì)定時(shí)精度要求不高。用戶應(yīng)用軟件界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 伺服控制系統(tǒng)主控界面

3.3 核心層設(shè)計(jì)

六自由度平臺(tái)的閉環(huán)控制需要高實(shí)時(shí)、高可靠的實(shí)時(shí)控制軟件完成，實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)和高可靠性。LabVIEW提供了在NI嵌入式硬件設(shè)備上運(yùn)行的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[7](RTOS)。NI的大多數(shù)板卡都有配備實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)，因此該設(shè)計(jì)可以調(diào)用板卡的實(shí)時(shí)API函數(shù)(如DAQmx)來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)采集。實(shí)時(shí)控制軟件的流程圖如圖5所示。

圖5 實(shí)時(shí)控制軟件初始化和定時(shí)中斷流程圖

3.3.1 Real-Time模塊設(shè)計(jì)

NI LabVIEW RTOS系統(tǒng)是一類通過(guò)圖形化編程方法來(lái)創(chuàng)建可靠獨(dú)立的高實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的完整解決方案，這些實(shí)時(shí)程序可下載至嵌入式硬件設(shè)備并在該類設(shè)備上執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)和高可靠性[8]。

3.3.2 正解與反解模塊設(shè)計(jì)

該測(cè)控系統(tǒng)計(jì)算正解與反解算法應(yīng)用LabVIEW 提供的SIT工具包與MATLAB進(jìn)行接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)編譯后的算法直接調(diào)用。首先借助編譯器Visual C++將Simulink框圖編譯為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件[9]，當(dāng)運(yùn)行LabVIEW用戶端控制面板時(shí)直接調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件實(shí)現(xiàn)由Simulink實(shí)現(xiàn)的各種功能，同時(shí)在運(yùn)行過(guò)程中可以實(shí)時(shí)的改變系統(tǒng)中的參數(shù)。該方法可以自動(dòng)生成控制代碼，是一種從仿真到實(shí)時(shí)控制快速實(shí)現(xiàn)方法。

該設(shè)計(jì)方法可以快速高效的實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)軟件的生成，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)控制參數(shù)的快速修改、代碼重生以及代碼下載工作，使整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間大大縮短。

3.3.3 CAN總線位移采集模塊設(shè)計(jì)

軟件需要開發(fā)CAN總線通信功能，接收作動(dòng)器的位移信號(hào)。該作動(dòng)器的位移傳感器采用了可靠的CAN總線技術(shù)，每個(gè)作動(dòng)器配置一路CAN總線位移傳感器，固定周期的發(fā)出CAN總線消息，來(lái)輸出作動(dòng)器的精確的位移測(cè)量結(jié)果。為降低總線負(fù)載率，控制器端配置了兩路相互獨(dú)立的雙通道CAN模塊，每個(gè)CAN模塊采集3路CAN總線的位移數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)6路作動(dòng)器位移的實(shí)時(shí)采集。

軟件中可以設(shè)置CAN消息的ID過(guò)濾方式和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式，在接收到消息后可以直接將消息解析為最新的位移結(jié)果。軟件直接從模塊中讀取位移結(jié)果即可，編程簡(jiǎn)單，可靠性高。

3.3.4 閉環(huán)運(yùn)算設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)控制軟件需要開發(fā)閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)6路液壓作動(dòng)器的精確閉環(huán)，使6路作動(dòng)器的位移按照指令給定的方式運(yùn)動(dòng)。LabVIEW使用數(shù)據(jù)流的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理。而C語(yǔ)言作為最通用的計(jì)算機(jī)軟件標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，LabVIEW中允許用戶內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言，以實(shí)現(xiàn)對(duì)某固定算法的調(diào)用。在軟件設(shè)計(jì)上該部分內(nèi)置了標(biāo)準(zhǔn)C代碼，用來(lái)方便的實(shí)現(xiàn)閉環(huán)算法。另外閉環(huán)部分的C語(yǔ)言代碼已經(jīng)經(jīng)過(guò)了試驗(yàn)的驗(yàn)證，可靠性已經(jīng)得到保證。液壓缸閉環(huán)控制原理圖如圖6所示。

圖6 液壓缸閉環(huán)控制原理圖

其中，由于系統(tǒng)采用對(duì)稱閥控單出桿非對(duì)稱缸系統(tǒng)，系統(tǒng)正反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度增益不同，為達(dá)到作動(dòng)器伸、縮過(guò)程中特性的一致，采用變?cè)鲆娴谋壤刂破?，從而達(dá)到正反向特性基本一致。另外，為抑止伺服零偏以及非線性引起的誤差，采用帶積分門限和積分飽和的積分器，一方面有效提高穩(wěn)態(tài)精度，同時(shí)有效減小系統(tǒng)超調(diào)。

3.4 共享變量應(yīng)用設(shè)計(jì)

六自由度平臺(tái)使用共享變量作為用戶應(yīng)用軟件和實(shí)時(shí)控制軟件之間進(jìn)行各種指令和采集信號(hào)的傳輸[10]。

為保證傳輸數(shù)據(jù)的完整性和正確性，就需要使能網(wǎng)絡(luò)型共享變量緩沖區(qū)。通過(guò)設(shè)緩沖區(qū)，可以解決對(duì)于一個(gè)變量讀/寫速度的不匹配問(wèn)題。同時(shí)可以在共享變量屬性對(duì)話框中的變量頁(yè)設(shè)定緩沖區(qū)大小，這樣就可以確定在舊數(shù)據(jù)被覆蓋之前，應(yīng)用中可以保存多少更新數(shù)據(jù)。

對(duì)于大功率液壓控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)是六自由度并聯(lián)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)研制過(guò)程中的一個(gè)重要問(wèn)題之一，在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們著重從液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的幾個(gè)方面考慮設(shè)置保護(hù)措施，確保系統(tǒng)工作可靠設(shè)計(jì)。

3.5 安全性設(shè)計(jì)

3.5.1 平臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)

1)液壓鎖緊功能：在作動(dòng)器與伺服閥之間的液壓回路上設(shè)置液控單向閥，通過(guò)電磁換向閥控制液控單向閥的工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)液壓鎖緊功能。

2)斷電保護(hù)：系統(tǒng)出現(xiàn)斷電故障時(shí)，作動(dòng)器處于液壓鎖緊狀態(tài)，保證平臺(tái)在斷電故障時(shí)，安全地停在某個(gè)空間位置。

3.5.2 控制系統(tǒng)的保護(hù)

用戶應(yīng)用軟件人機(jī)界面的安全性設(shè)計(jì)。

1)對(duì)于重要的輸入，應(yīng)該有確認(rèn)信息。確認(rèn)之后，輸入成為有效。

2)對(duì)于不可操作的按鈕或菜單應(yīng)明確指示，如按鈕顏色變灰。

3)簡(jiǎn)化用戶的輸入，避免用戶因?yàn)橹貜?fù)枯燥的輸入而造成的錯(cuò)誤。主要措施有圖形化輸入與顯示，完整功能的信號(hào)發(fā)生器，配制成數(shù)據(jù)文件的信號(hào)輸入。

在軟件核心層設(shè)計(jì)了系統(tǒng)邏輯與程序控制的保護(hù)。系統(tǒng)的某些操作和系統(tǒng)狀態(tài)是相互關(guān)聯(lián)的，互為條件?？刂栖浖軌蚍乐褂脩舻恼`操作而引起邏輯的混亂，避免造成對(duì)人員、試件和設(shè)備的損壞。主要措施：通過(guò)邏輯互鎖保證控制的安全性。系統(tǒng)根據(jù)故障的嚴(yán)重程度，將故障處理分為三個(gè)級(jí)別：

1)報(bào)警：報(bào)警并不認(rèn)為是故障，只是對(duì)操作人員的一種提示，表明當(dāng)前系統(tǒng)處于不良的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，繼續(xù)操作時(shí)要注意。

2)待機(jī)：控制模擬器回到工作零位，這是較低級(jí)別的故障處理。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)非致命故障時(shí)，采用此處理方式。處理的方法是：出現(xiàn)這種級(jí)別的故障后，監(jiān)控機(jī)發(fā)出系統(tǒng)待機(jī)命令，運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)接到此命令后，控制作動(dòng)器以一定的速度伸出或縮回，使平臺(tái)20秒后恢復(fù)到工作零位。

3)急停：這是最高級(jí)別的故障處理，當(dāng)系統(tǒng)或試件出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，如控制系統(tǒng)失靈，采用此處理方式。操作人員按急停按鈕，鎖住作動(dòng)器，關(guān)閉液壓泵，同時(shí)液壓源快速降壓。

按以上定義系統(tǒng)故障分類，如表1所示。

表1 故障分類匯總表

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

六自由度平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)是針對(duì)六自由度平臺(tái)設(shè)計(jì)的測(cè)試和控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，該系統(tǒng)已經(jīng)成功地完成了對(duì)平臺(tái)的控制，并且性能較好。該部分展示平臺(tái)靜態(tài)測(cè)試和暫態(tài)特性的試驗(yàn)結(jié)果。

4.1 試驗(yàn)方法

參照國(guó)內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)，對(duì)廣泛用于動(dòng)感娛樂(lè)領(lǐng)域及火控系統(tǒng)模擬的平臺(tái)性能進(jìn)行綜合，課題組確定自己平臺(tái)主要參數(shù)指標(biāo)，主要包括：行程、速度特性等；并進(jìn)行相應(yīng)平臺(tái)性能指標(biāo)的計(jì)算。其主要技術(shù)指標(biāo)如2所示。

表2 技術(shù)指標(biāo)匯總表

針對(duì)六自由度平臺(tái)的指標(biāo)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)項(xiàng)目，分別進(jìn)行了正弦運(yùn)動(dòng)和暫態(tài)運(yùn)動(dòng)，對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)分別測(cè)試。

1)正弦運(yùn)動(dòng)-平動(dòng)試驗(yàn)：依次X軸、Y軸、Z軸3個(gè)自由度進(jìn)行平動(dòng)測(cè)試，對(duì)運(yùn)動(dòng)的自由度給定激勵(lì)為0.02 Hz，250 mm的正弦信號(hào)，其它自由度信號(hào)為0。

2)正弦運(yùn)動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)：依次X軸、Y軸、Z軸3個(gè)自由度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試，對(duì)運(yùn)動(dòng)的自由度給定激勵(lì)為0.02 Hz，15°的正弦信號(hào)，其它自由度信號(hào)為0。

3)暫態(tài)運(yùn)動(dòng)-平動(dòng)試驗(yàn)：依次X軸、Y軸、Z軸3個(gè)自由度進(jìn)行平動(dòng)測(cè)試，對(duì)運(yùn)動(dòng)的自由度給定激勵(lì)為±100 mm的恒值，其它自由度為0。

4)暫態(tài)運(yùn)動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)：依次X軸、Y軸、Z軸3個(gè)自由度進(jìn)行平動(dòng)測(cè)試，對(duì)運(yùn)動(dòng)的自由度給定激勵(lì)為°的恒值，其它自由度為0。

對(duì)以上4種試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄測(cè)試過(guò)程中的作動(dòng)器位移、平臺(tái)位姿，最后通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出試驗(yàn)結(jié)果。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 正弦運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

為考核系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差及速度特性，分別進(jìn)行了各自由度方向的正弦運(yùn)動(dòng)測(cè)試。該論文選擇Z向平動(dòng)和Y向轉(zhuǎn)動(dòng)為例進(jìn)行分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7、圖8所示。

圖7 Z向平動(dòng)正弦運(yùn)動(dòng)

圖8 Y向轉(zhuǎn)動(dòng)正弦運(yùn)動(dòng)

進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)得到各自由度跟蹤特性如表2所示。

表2 技術(shù)指標(biāo)匯總表

4.2.2 暫態(tài)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)暫態(tài)特性分析系統(tǒng)的最大速度和穩(wěn)態(tài)誤差。本次試驗(yàn)對(duì)6個(gè)自由度均進(jìn)行了試驗(yàn)，本論文選取Z向平動(dòng)和Y向轉(zhuǎn)動(dòng)兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 Z向平動(dòng)暫態(tài)特性

圖10 Y向轉(zhuǎn)動(dòng)暫態(tài)特性

各自由度最大運(yùn)動(dòng)速度如表3所示。

表2 技術(shù)指標(biāo)匯總表

表3 暫態(tài)運(yùn)動(dòng)各自由度穩(wěn)態(tài)誤差

4.3 結(jié)果分析

通過(guò)時(shí)域曲線和數(shù)據(jù)處理結(jié)果，可以看出六自由度平臺(tái)各個(gè)自由度的工作范圍、平動(dòng)輸出精度、轉(zhuǎn)動(dòng)輸出精度、最大速度等各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足指標(biāo)。測(cè)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠滿足六自由度的控制精度和可靠性要求。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)硬件上選擇NI實(shí)時(shí)控制器作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，同時(shí)搭建一些硬件接口電路，完成對(duì)六自由度平臺(tái)的實(shí)時(shí)控制。選擇的控制核心NI實(shí)時(shí)控制器具有硬件外設(shè)多，接口方便靈活，硬件驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，軟件開發(fā)周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一款高端的數(shù)字控制器。軟件上采用LabView作為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合NI的RT模塊和SIT模塊對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了快速開發(fā)[11]。RT模塊實(shí)時(shí)性高，滿足了系統(tǒng)對(duì)液壓缸實(shí)時(shí)控制的要求；SIT模塊結(jié)合Simulink模塊實(shí)現(xiàn)了控制軟件對(duì)復(fù)雜算法的直接調(diào)用，縮短了軟件開發(fā)周期。

試驗(yàn)結(jié)果表明，基于NI實(shí)時(shí)控制器的六自由度平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠，滿足了六自由度平臺(tái)的功能和性能要求，完成了一系列性能試驗(yàn)。

通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，完成了多自由度平臺(tái)研制過(guò)程中的主要關(guān)鍵技術(shù)中的軟件攻關(guān)工作，掌握了六自由度平臺(tái)研制過(guò)程中的軟件編制技術(shù)和先進(jìn)的理論分析方法和分析手段，積累了工程研制經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到了技術(shù)創(chuàng)新的目的。