基于RTX 的直流電動干擾伺服控制系統

劉 峰，劉忠超，石 閣，趙松慶

(1.南陽理工學院，南陽473000;2.南陽供電公司，南陽473000;3.中國空空導彈研究院，洛陽471009)

0 引 言

在現代戰爭中，武器是在光電對抗中進行的，同時要求精確打擊的武器都必須具有較強的抗干擾能力。本電動干擾伺服控制系統安裝在五軸轉臺上，模擬干擾紅外成像，屬于紅外成像光學的輔助系統，用于紅外干擾控制系統的半實物仿真試驗。為此在本電動干擾伺服系統中，一方面要求操作系統擁有良好的人機交互，另一面要求控制系統的實時性比較好［1，3］。Windows 有漂亮的界面和強大的功能，因此在Windows 平臺下研究直流電動干擾伺服控制系統，對航空航天等自動化控制領域將會有重大的意義。

Windows 的線程調度的依據是線程的優先級和時間片［2］，所以操作系統的實時性能很差，因此不能處理對實時性要求高的控制系統。RTX 是Ardence 公司推出的實時擴展子系統，通過修改并擴展Windows 的硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer，HAL)，延托了Windows 操作系統的內核體系結構，能夠實現獨立的內核驅動，形成與Windows 并列的實時子系統，能夠解決Window 操作系統弱實時性的問題。

由于本文研究的是電動紅外干擾伺服控制系統，根據控制系統的要求，對控制系統的精度要求比較高，同時系統模型的參數具有時變性，還有機械部分的非線性因素，但是傳統的PID 只能適應準確的數學模型，不能適應非線性控制系統。神經網絡控制算法的并行處理能力和計算機的串行處理方法相悖，所以控制系統的實時性在計算機上很難實現，為此我們采用神經元PID 控制算法，通過PCI 總線的運動控制卡和驅動器相連，同時借助于RTX 實時操作子系統，不但計算簡單，而且控制系統的實時性也容易實現。這樣可以充分利用神經網絡自學習、自適應能力、可逼近任何線性和非線性模型等優點，同時還能滿足控制系統實時性能的要求。

1 伺服控制系統的總體設計

設計的面向成像目的紅外干擾模擬器如圖1 所示，它是和由MOS 電阻陣列構成的紅外模擬器以及基相配套的光學系統及五軸轉臺構成，安裝在五軸轉臺上，用于紅外干擾控制系統的半實物平臺上仿真試驗，該裝置能在紅外干擾控制系統的瞬間視場中按照順序產生基于中心分離型多個干擾源，其中干擾源的大小和分離時間間隔是固定不變的，干擾目標的分離時間、速率和能量比是可控的。基于紅外干擾模擬器的控制可以看作是一個三閉環的伺服控制系統，通過模板電機、關閘電機、能量比電機配合完成控制系統所需要的功能。模板電機帶動線性模組運動、光閘電機控制光的打開或者關閉，能量比調節電機來控制通過紅外光的能量。

圖1 紅外干擾模擬器

1.1 分析計算

根據控制系統提出的技術指標，就線性模組的驅動電機來說，對線性模組的動態性能要求:按照正弦擺動，最大分離速度為50 mm/s，偏差為±2 mm，頻帶寬度為8 Hz，在動態測試過程，幅差誤差要求不超過10%，相移誤差不超過10°。

根據控制系統對系統的動態特性的要求，模板電機的位置命令通過輸入正弦函數來表示。

假定模板電機所帶的線性模組的位置按照正弦函數來運行，即:

式中:S0為模板電機按照正弦位置方式運動行程的最大值，根據控制系統正弦擺動的偏差可知S0=2 mm;f 為模板電機按照正弦位置運動的頻率，根據控制系統要求，位置命令的頻率在8 Hz 下幅差不超過10%，相移不超過10°，可以將模板運動電機的位置控制命令為8 Hz 的正弦波。

因此模板運動控制電機的轉速可根據下式設計:

最大加速度:

據此，可計算出模板運動控制電機帶動線性模組做橫向運動時所發生的最大線速度:vmax=2πfS0=0.100 m/s。

通過計算分析可以得出最大分離速度能夠滿足控制系統提出50 mm/s 的要求。計量模板運動控制電機所需要的最大加速度:amax=4π2f2S0=5.048 m/s2。

通過計算可以看出，控制系統能夠滿足干擾分離時的最大加速度為500 mm/s2的要求。

由線性模組的的螺距為1 mm，也就是模組轉一圈走1 mm，通過Pro/E 軟件計算得到運動部分的質量為1 kg (不考慮絲杠、聯節軸、電機轉子軸、編碼器等)，據此計算出模板電機的轉矩為:

考慮到傳動效率以及工程上實際的負載質量，實際需要的模板電機電磁轉矩應有一定的裕量，因此乘以一定的系數，在此我們估計為3，因此電機轉矩應大于2.41 mN·m，再加上線性模組的最大起動轉矩為1.2 mN·m，因此實際模板電機的扭矩應該大于3.61 mN·m。

模板電機線速度:

通過分析計算可以得到線性模組的驅動電機(也就是模板電機)的額定轉速應大于6 000 r/min。根據控制要求提出的雙十指標分析計算，電機轉速要約為6 000 r/min、扭矩約為3.61 mN·m，并要有一定裕量。

1.2 控制系統的結構

紅外干擾模擬器的控制系統的軟硬件結構如圖2 所示，控制系統的操作系統將RTX 引入Windows，借助于基于PCI 總線的多軸運動控制器［8］，根據紅外干擾模擬器的工作原理，能夠實現在Windows 平臺下對伺服電機高精度的實時控制，符合控制系統提出的性能指標。

1.2.1 硬件部分硬件部分由控制計算機、ADT -8948A1 四軸運動控制卡、PCI5565 光纖卡、PCI1716 數據采集卡、伺服驅動器、線性電源、直流電機、光電編碼器等組成。

圖2 控制系統的體系結構

仿真機通過光纖卡將運動控制指令下發到控制計算機，控制計算機接收到仿真機的位置指令后，和通過運動控制卡反饋的位置指令比較，然后邏輯判斷，經過位置環的控制算法，轉化為電機的速度，傳給運動控制卡，由運動控制卡負責控制三個直流電機的運行。

運動控制卡ADT -8948A1 可以在電機運行過程中通過改變位置脈沖的頻率來實時改變電機線速度和通過改變邏輯位置改變目標位置，通過使用連續插補來實現電機的加減速功能等，伺服接口有模擬和數字兩種形式。PCI1716 數據采集卡主要用來進行動態測試，通過A/D 將位置命令采集出來，下發給運動控制卡，通過D/A 將實際的位置輸出。仿真計算機連接在五軸轉臺上，通過計算可以得出光閘運動方程、線性模板運動方程、能比電機運動方程，并通過光纖卡將其轉化為速度和位置信號傳遞給控制計算機。伺服驅動器可以通過放大控制信號的電流，滿足電機運轉所需要的起動轉矩，它的性能對控制系統的好壞。光電編碼器用于反饋環節，其輸出端同時連到伺服驅動器和運動控制卡。

1.2.2 軟件部分

根據紅外干擾模擬器控制系統所需要的功能和所要達到的性能指標，為此進行軟件部分設計。運行在控制計算機上的軟件部分主要由計算機和運動控制卡組成的控制系統和由數據采集卡組成的數據采樣等，主要完成人機交互、位置指令的讀取和分析、位置環的控制算法、數據采樣、產生運動控制任務。其中上位機界面用LabVIEW 來設計，根據功能要求，可以設定干擾源的分離時間、干擾產生時的速度控制等，控制計算機通過數據采集卡實時數據采集，通過運動控制卡對目標的位置、速度進行實時控制，完成對控制信號的實時動態跟蹤。

1.3 控制系統的組成

工業控制計算機、ADT -8948A1 運動控制器、無刷直流電動機伺服驅動器以及光電編碼器、無刷直流電動機、負載等組成了紅外干擾模擬器的控制系統。紅外干擾模擬器是一個3 軸伺服運動控制，圖3 為3 軸伺服運動控制原理，仿真計算機與控制計算機之間通過光纖卡進行通信。

圖3 3 軸伺服運動控制系統原理圖

工作過程如下:

(1)控制計算機上的上位機軟件打開后，和仿真計算機聯機完成后，設置初始化參數;

(2)仿真計算機連接在5 軸飛行電動轉臺上，通過仿真運動學方程計算出位置、速度指令，通過光纖卡傳輸給控制計算機;

(3)控制計算機打開軟件后，先控制模板電機做歸零動作，調整好調光器，打開光閘，收到開始工作的命令后，根據初始化參數產生多發干擾運動，當電機運動到極限位置或接收到仿真計算機發出停止命令后，電機停止運轉，同時關閉光閘;在仿真實驗中，需要線性模組電機和光閘電機、能比電機三個電機配合工作，以實現多發干擾的快速分離。

1.4 單神經元PID 控制器的設計

傳統PID 結構簡單、穩定性好、魯棒性強，在工業控制領域得到了廣泛的應用，但是在工業控制中常常存在著非線性過程，難以建立起精確的數學模型，而傳統PID 由于嚴重依賴精確的數學模型，不能夠實時在線調節參數。本文采用的紅外干擾伺服控制系統的位置環由于電機模型參數存在著時變因素，還有執行機構的機械部分也存在著非線性因素，因此不能采用傳統的PID 控制算法。為此我們在位置環將傳統PID 改進并引入神經網絡控制算法，也就是單神經元PID 控制算法［5-6］，它能使控制系統的調節速度快、實時性能好、自適應能力強等優點。

位置式單神經元PID 控制器［5］構成圖如圖4 所示，從結構上可以分為輸入層、隱含層、輸出層。輸入層上面的兩個神經元結點，分別接收給定的位置值r 和位置的當前值的反饋量y，輸出層是將隱含層的三個神經元比例、積分、微分進行加權后輸出電機的速度，位置式單神經元PID 控制器和無刷直流電動機的伺服驅動器、負載部分、反饋環節一起構成了三閉環控制系統。

圖4 單神經元PID 控制器組成

1.5 位置式神經元PID 控制器的仿真

圖5 單神經元PID 的Simulink 仿真

單神經元PID 控制器的初始值為任意隨機值，網絡權值的學習率η=0.25，控制時間間隔為0.001 s，動量因子α=0.03。為驗證控制系統的方波跟蹤本領，假設輸入函數為rin(t)=0.5sgn［sin(4πt)］，經練習后的神經元PID 控制器的方波、正弦波位置跟蹤圖如圖6 所示。

圖6 單神經元PID 控制響應

從圖6 的圖跟蹤曲線圖中可以看出，訓練后的神經元PID 控制系統，穩態誤差更小，跟蹤性能好，克服了傳統PID 需要精確的數學模型，通過梯度下降法調整權值，控制系統具有魯棒性強、響應速度快，自適應能力強，實時性能好。

2 控制系統的上位機軟件設計

通過對紅外干擾模擬器的伺服控制系統任務要求和性能指標進行分析，設計一個單神經元PID 控制器，只能保證紅外干擾控制系統在解決非線性方面有很大潛力，要想做在Windows 平臺下對伺服控制系統實時控制，必須引入RTX，來解決Windows操作系統弱實時性的問題。

2.1 RTX 概況

RTX 是在內核態中將HAL 層修改并擴展，實現獨立的內核驅動模式。RTX 與Windows 相互配合，通用的GUI 任務由Windows 來處理，實時控制和實時數據的采集由RTX 來處理。RTX 進程跟WIN32 進程間的通訊由信號量、共享內存等機制［7］來實現的。

由圖7 可見，RTX 是對Windows 的硬件抽象層的進一步擴展，并在RTXHAL 擴展的基礎上形成了RTX 實時子系統，RTX 同時提供了標準的RTDLL，以供應用程序的進一步調用。從結構上看，RTX 有自己的實時調度機制，并且所有的RTSS 線程的優先級別都高于Windows 的線程，包括Windows NT 的中斷管理和延遲過程調用。RTX 可以供給微秒級精度的定時器，分辨率能夠到達100 ns，還提供中斷、DMA 等實時服務。RTX 的RTXHAL 把RTX 的中斷機制跟Windows NT 的中斷機制隔離開，因此能夠提高操作系統的實時性。

圖7 RTX 工作原理

2.2 RTX 環境下的PCI 驅動程序

將RTX 引入Windows 平臺，解決了操作系統的弱實時性問題，能夠實現在Windows 平臺上的實時控制［4］，通過在內核態中開發基于RTX 的PCI 驅動來實現接口的實時性。由于驅動程序工作在內核層并且可以直接操作硬件，所以為我們實現接口的實時性提供了保證。

3 伺服控制系統的聯機測試

通過前面分析直流電動干擾伺服控制系統，要想實現比較好的位置跟蹤，除了通過引入RTX 來解決Windows 操作系統實時性弱的缺點，通過控制器設計和在位置環采用神經元PID 的控制策略，可以利用神經網絡魯棒性強、自學習、逼近非線性關系、并行處理能力好等優點，可以實現控制系統高精度位置跟蹤的要求。為驗證系統紅外干擾控制器能否滿足任務要求和性能指標，需要對系統進行仿真測試。

為實現人機交互，系統的上位機界面用Lab-VIEW 來設計，根據控制系統的功能要求，控制界面主要用來對三個電機參數進行設置，如時間、分離速度、位置和速度的顯示、紅外干擾的控制功能如歸零、多發等。從功能上講，可分為多發干擾靜態測試、動態測試、閉環仿真測試。設備通電并聯機成功指示燈變綠后，打開上位機軟件，開始靜態測試。模板運動電機的8 Hz 正弦位置響應曲線如8 所示。

圖8 模板運動電機位置響應

從圖8 中可以看出，模板電機在頻率為8 Hz 的正弦位置信號的驅動響應下，位置的動態誤差幅值相差約8%，相位相差約為9°，符合控制系統提出雙十指標的性能指標。

4 結 語

本文以某研究所的紅外成像目標干擾伺服系統為研究背景，通過性能指標的計算對電機進行選型，設計一個伺服控制系統，搭建基于運動控制卡的硬件平臺和基于RTX 的軟件平臺。通過在Windows操作系統上引入RTX，可以有效解決Windows 實時性弱的缺點，為解決接口實時性問題，可以開發RTX 驅動程序，直接在Windows 實現對硬件的實時控制，在位置環節引入單神經元PID，可增強控制系統的自學習、自適應能力。實驗證明此方案能夠實現在Windows 平臺下電動干擾伺服控制系統具有位置跟蹤性能較高、自適應能力比較強、魯棒特性強等優點。

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