基于LabWindows/CVI的舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 龍 ，樊澤明

（西北工業(yè)大學(xué) 自 動化學(xué)院，陜西 西 安 7 10129）

地面半物理仿真試驗(yàn)是飛機(jī)設(shè)計(jì)與研制過程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，用于在地面環(huán)境對飛機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證飛機(jī)的各項(xiàng)性能是否滿足設(shè)計(jì)需要，該環(huán)節(jié)對保障飛機(jī)的安全性與可靠性具有重要意義。

舵機(jī)是飛機(jī)自動駕駛儀或飛機(jī)增穩(wěn)系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，屬于飛機(jī)的關(guān)鍵部件。在飛機(jī)地面半物理仿真試驗(yàn)中，需要在地面環(huán)境中模擬舵機(jī)在全飛行剖面中所受到的氣動載荷，進(jìn)而為整機(jī)提供與實(shí)際飛行相近似的工作狀態(tài)，以檢驗(yàn)舵機(jī)及其他部、組件的性能，并為全機(jī)研制、改進(jìn)與改型提供重要參考依據(jù)。

因此，舵機(jī)負(fù)載模擬是地面半實(shí)物仿真試驗(yàn)中不可缺少的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。在試驗(yàn)過程中，舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)需要對負(fù)載模擬器進(jìn)行控制，根據(jù)給定的載荷譜為舵機(jī)施加相應(yīng)的載荷。由于在飛機(jī)飛行過程中，各個環(huán)境參數(shù)不斷變化，所以舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)具有載荷類型復(fù)雜且變化快等特點(diǎn)，控制難度較大。文中采用上、下位機(jī)的分布式結(jié)構(gòu)方案，基于LabWindow/CVI開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了負(fù)載模擬系統(tǒng)控制軟件，對多個通道的舵機(jī)載荷進(jìn)行實(shí)時模擬，保證了地面模擬試驗(yàn)的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

負(fù)載模擬系統(tǒng)由加載作動筒、電液伺服閥、控制器與傳感器等組成。其中伺服閥與加載作動筒為舵機(jī)作動器施加額定負(fù)載；拉壓力傳感器為負(fù)載模擬系統(tǒng)提供反饋信號，完成閉環(huán)控制；位移傳感器用于超差檢測和故障判斷并為系統(tǒng)提供補(bǔ)償。單通道負(fù)載模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單通道負(fù)載模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of single-channel load simulation system

整個試驗(yàn)平臺中共有5個舵機(jī)，所以系統(tǒng)共需要五個負(fù)載模擬通道。為了達(dá)到最佳控制效果，系統(tǒng)采用上、下位機(jī)的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中上位機(jī)用于完成人機(jī)接口和協(xié)調(diào)管理等功能。由于系統(tǒng)中有四個負(fù)載模擬通道間存在一定耦合，故采用1#下位機(jī)對這四個通道進(jìn)行協(xié)調(diào)控制；另一個負(fù)載模擬通道的負(fù)載頻率較高，為保證控制精度，采用2#下位機(jī)單獨(dú)進(jìn)行控制。整個舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of hardware system

1.2 系統(tǒng)電氣連接

系統(tǒng)電氣部分的前向通道負(fù)責(zé)將現(xiàn)場的信號實(shí)時采集處理并傳回工控機(jī)。每個通道包含一個拉壓力傳感器和一個位移傳感器，全部四個通道共計(jì)8路反饋信號。反饋信號在現(xiàn)場端通過幅值放大與零位調(diào)整后由電纜傳輸至電氣柜的信號調(diào)理板，經(jīng)阻抗隔離和濾波后輸入到相應(yīng)下位機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換卡，并在工控機(jī)中完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理。

系統(tǒng)電氣部分的后向通道負(fù)責(zé)將工控機(jī)的控制信號傳送至現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每個通道包含一個舵機(jī)指令信號、一個加載伺服閥指令信號和一個用于對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)的開關(guān)信號，全部四個通道共計(jì)12路控制信號?？刂菩盘枏墓た貦C(jī)的D/A轉(zhuǎn)換卡或DO接口卡輸出，通過功率放大后輸送至現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)處，完成現(xiàn)場機(jī)構(gòu)的控制。

由于系統(tǒng)采用上、下位機(jī)分布式結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)之間的通訊，采用了基于RS-485通訊方式的異步并行通訊卡。該通訊卡基于ISA總線，以兩塊為一組，配合完成通訊。同組的兩塊板卡使用CBL-M25M9x2數(shù)據(jù)通訊線進(jìn)行連接。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制軟件系統(tǒng)采用NI公司的專業(yè)開發(fā)平臺LabWindows/CVI進(jìn)行開發(fā)[1]。該平臺是工業(yè)控制、測試元件開發(fā)的專業(yè)平臺，具有界面簡潔、友好，能較好地模擬工業(yè)控制儀器與環(huán)境等突出特點(diǎn)，其強(qiáng)大的圖形用戶界面交互編輯功能與豐富的函數(shù)庫及網(wǎng)絡(luò)通信模塊使其特別適合工業(yè)控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)。

控制軟件系統(tǒng)分為兩大部分：上位機(jī)監(jiān)控及人機(jī)對話軟件和下位機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制軟件。為了提高軟件的可靠性、保證軟件功能的靈活性并滿足軟件系統(tǒng)的易用性、可擴(kuò)展性等要求，系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，通過不同的模塊來完成軟件系統(tǒng)的各個功能。

上位機(jī)軟件不負(fù)責(zé)負(fù)載模擬過程中載荷的控制，而只承擔(dān)監(jiān)測、協(xié)調(diào)與管理下位機(jī)的作用。上位機(jī)軟件系統(tǒng)包括監(jiān)控模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、通訊模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等組成部分。其主要的功能包括：

1）GUI界面的人機(jī)對話接口；

2）試驗(yàn)進(jìn)程的監(jiān)測與報警處理；

3）對下位機(jī)狀態(tài)的控制與管理；

4）控制參數(shù)的設(shè)置；

5）載荷譜、運(yùn)動譜的設(shè)置；

6）系統(tǒng)輸入輸出通道的標(biāo)定與自檢；

7）試驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存處理與報表輸出。

下位機(jī)負(fù)責(zé)試驗(yàn)中對舵機(jī)以及負(fù)載模擬系統(tǒng)的控制。下位機(jī)軟件主要包括初始化模塊、試驗(yàn)控制模塊、通訊模塊和狀態(tài)監(jiān)測模塊等組成部分。其具體功能包括：

1）現(xiàn)場信號的數(shù)據(jù)采集；

2）控制決策與運(yùn)算；

3）輸出控制；

4）載荷數(shù)據(jù)的上傳。

上、下位機(jī)軟件之間的數(shù)據(jù)通信通過高速數(shù)據(jù)通訊卡完成。數(shù)據(jù)通訊卡采用全雙工模式，通訊內(nèi)容包括：上位機(jī)下傳至下位機(jī)的啟動、停止、自檢等指令以及控制參數(shù)、載荷譜和運(yùn)動譜參數(shù)等信息；下位機(jī)上傳至上位機(jī)的用于實(shí)時顯示和保存的現(xiàn)場數(shù)據(jù)等信息。所用的通訊過程均按照約定的通訊協(xié)議完成。

當(dāng)軟件程序開始運(yùn)行時，系統(tǒng)會首先對各個系統(tǒng)參數(shù)以及板卡端口進(jìn)行初始化。工作人員可以通過上位機(jī)軟件程序提供的人機(jī)交互界面進(jìn)行傳感器標(biāo)定、控制參數(shù)設(shè)定、試驗(yàn)任務(wù)選擇等操作。當(dāng)開始試驗(yàn)后，上位機(jī)會通過通訊模塊將控制參數(shù)與指令下傳給上位機(jī)，并同時建立數(shù)據(jù)顯示線程與數(shù)據(jù)保存線程，將下位機(jī)上傳的實(shí)時數(shù)據(jù)以動態(tài)曲線的形式顯示在終端顯示器并保存于存儲介質(zhì)中，以方便工作人員實(shí)時監(jiān)測或日后調(diào)用。舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的整個閉環(huán)控制均在相應(yīng)下位機(jī)中完成，其過程包括接收上位機(jī)控制參數(shù)及指令，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集并做超差檢驗(yàn)，完成控制器計(jì)算及輸出和向上位機(jī)上傳實(shí)時數(shù)據(jù)等步驟。軟件系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。

從控制軟件的流程圖可以看出，在上位機(jī)軟件運(yùn)行過程中采用了多線程技術(shù)[2]。這種設(shè)計(jì)可以更加有效的利用CPU的性能。由于多線程間方便的通訊機(jī)制，幾個線程可以共享數(shù)據(jù)空間，大大減少了啟動線程所需的空間和線程間彼此切換的時間，使應(yīng)用更加快捷與方便。同時，多線程技術(shù)的采用，也使得程序的邏輯與控制方式更加簡單，便于理解與修改。在測控軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用過程中，對數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性要求很高，這需要系統(tǒng)有較高的采樣頻率，使用高精度的定時器是滿足系統(tǒng)需求的關(guān)鍵。在本文的舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)中，使用了多媒體定時器對控制進(jìn)程進(jìn)行管理，其精度很高，最小誤差約為1 ms，且多媒體定時器的優(yōu)先級較高，可以減輕資源緊張時對定時器運(yùn)行的影響。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the software system

3 系統(tǒng)控制策略

在舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的控制過程中，最大的難點(diǎn)在于對系統(tǒng)運(yùn)行時產(chǎn)生的多余力進(jìn)行抑制與消減[3]。

多余力是由承載系統(tǒng)（舵機(jī)）的主動運(yùn)動造成的。承載系統(tǒng)的主動運(yùn)動，會拖動加載系統(tǒng)（負(fù)載模擬器）與其一起運(yùn)動，在加載作動筒兩腔產(chǎn)生強(qiáng)迫流量，引起多余力。多余力的大小與運(yùn)動的速度和加速度密切相關(guān)。同時，多余力具有微分特性，不僅超前于加載力，并且會隨著承載系統(tǒng)運(yùn)動頻率的增加而迅速增大。為此，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，必須采用合理方法，將多余力抑制并消減到一定的范圍內(nèi)。

為了對負(fù)載模擬過程中出現(xiàn)的多余力進(jìn)行抑制，很多學(xué)者做出了研究。楊剛等采用模糊自適應(yīng)控制策略[4]，能較好的消除多余力，但模糊控制器的建立過程太復(fù)雜且可移植性差，石旭東等采用CMAC與PID并行控制方法[5]，自適應(yīng)能力較強(qiáng)，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程具有較大的不確定性。羅璟等引入H∞控制方法[6]，但這種方法需要建立系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型。結(jié)合工程實(shí)際情況，分析項(xiàng)目中舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的特點(diǎn)，在對舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)進(jìn)行控制時，系統(tǒng)的運(yùn)動譜（舵機(jī)運(yùn)動規(guī)律）和載荷譜（負(fù)載模擬器運(yùn)動規(guī)律）都是已知的。所以可以根據(jù)結(jié)構(gòu)不變性原理，在計(jì)算要輸出的控制信號時，預(yù)先施加一個適當(dāng)?shù)那梆佈a(bǔ)償，以達(dá)到減少外部擾動的目的。

舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)如圖4所示，其中d為干擾輸入。根據(jù)結(jié)構(gòu)不變性原理，為了消除干擾d對系統(tǒng)的影響，理論上需要滿足條件Gf(s)G1(s)+G3(s)=0，即需設(shè)計(jì)一個前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)Gf(s)=-G3(s)/G1(s)。

圖4 前饋補(bǔ)償原理圖Fig.4 Schematic of feed-forward compensation

在設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)時，以加載輸出端的位移做為前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸入信號。這樣選擇有兩個突出優(yōu)點(diǎn)。一是采用加載輸出端的位移做補(bǔ)償輸入時，消除了連接機(jī)構(gòu)的彈性形變以及慣性負(fù)載引起的滯后與衰減作用的影響，簡化了負(fù)載模擬系統(tǒng)的動態(tài)特性，使補(bǔ)償后的系統(tǒng)被簡化成一個二階環(huán)節(jié)，有助于提高負(fù)載模擬系統(tǒng)的閉環(huán)動態(tài)性能。二是當(dāng)采用加載輸出端位移為補(bǔ)償輸出時，負(fù)載模擬系統(tǒng)控制器中的所有傳感器檢測信號與執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號均在加載系統(tǒng)一側(cè)，在結(jié)構(gòu)上保持了負(fù)載模擬系統(tǒng)的獨(dú)立性。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述各部分的分析與設(shè)計(jì)，完成了舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)的硬件平臺搭建和軟件程序的編寫與調(diào)試。經(jīng)過一定的調(diào)試，達(dá)到了理想的控制效果。試驗(yàn)設(shè)備在相應(yīng)載荷指令下的響應(yīng)如圖5所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際響應(yīng)對指令的動態(tài)跟蹤效果很好，滿足了系統(tǒng)的要求。

圖5 試驗(yàn)結(jié)果圖Fig.5 Graph of test result

5 結(jié)論

本文基于LabWindows/CVI開發(fā)環(huán)境，對舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能對舵機(jī)載荷進(jìn)行實(shí)時、準(zhǔn)確的模擬，具有很好的控制效果，充分滿足了試驗(yàn)要求。同時，本文提及的舵機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對同類的電液負(fù)載模擬器的設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒與參考價值。

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