基于DSP的飛行仿真轉臺控制系統設計

趙 輝，王麗瑩

（1.渤海大學 遼寧 錦州121013；2.黑龍江八一農墾大學 黑龍江 大慶163318）

基于DSP的飛行仿真轉臺控制系統設計

趙 輝1，王麗瑩2

（1.渤海大學 遼寧 錦州121013；2.黑龍江八一農墾大學 黑龍江 大慶163318）

針對飛行仿真轉臺的精確控制問題，提出了一種基于DSP的轉臺控制系統設計方案，并完成了系統的硬件，軟件及控制算法的設計。該系統的硬件部分以DSP為核心控制器，結合VC++編寫的上位機控制界面軟件，并利用雙閉環PID算法實現對轉臺的高精度控制。通過實際測試和實驗，表明該控制系統具有控制精度高，性能穩定的特點，達到了設計要求。

數字信號處理器；飛行仿真轉臺；PID；高精度；上位機

隨著航空、航天工業技術的迅速發展，對飛行器的研制成本和研發周期要求越來越高，這促進了飛行器仿真系統的研制和開發。飛行仿真轉臺是一個高精度的隨動系統，由精密機械臺體和高性能的控制系統兩部分組成[1-3]。

作為飛行器控制系統半實物仿真回路中的關鍵設備之一，要求飛行器仿真系統能夠模仿飛行器在空中飛行時姿態變化，并且在半實物仿真中能夠實時反饋敏感元件如陀螺的角位置、角速度等信號變化，從而使其能感受到與飛行器實際飛行時較逼真的姿態變化信號[4-6]。一般情況下，飛行器仿真系統的設計應做到控制精度高，響應速度快和運行穩定可靠等多項技術指標[7]。因此，研制一套可靠的控制系統具有重要意義。

為了實現對飛行仿真轉臺的精確控制，在做了需求分析的基礎上，提出并設計了基于DSP的飛行仿真轉臺控制系統。該系統能夠完成對其準確控制。

1 總體設計

該控制系統結構圖如圖1所示，控制系統由控制單元、功放單元、測角單元、執行機構組成。在對飛行器仿真系統控制的過程中，控制單元完成轉臺數字、模擬控制及數據處理等功能，功放單元對控制信號進行功率放大并驅動執行機構拖動電機轉動；

圖1 控制系統結構

測角單元主要由感應同步器及其接口電路構成，用來檢測敏感元件的位置和速度信號；控制單元與上位機之間相互通信，并利用接口總線將數據上傳到上位機，最后由上位機界面實時顯示飛行器仿真轉臺的工作狀態。

2 系統硬件設計

飛行仿真控制系統下位機硬件部分主要由DSP控制電路、功放電路、通信模塊、測角電路等組成，系統硬件結構圖如圖2所示。文中只對上述關鍵部分給出介紹。

圖2 系統硬件結構圖

DSP控制電路主要用來完成測角數據計算處理功能[8-10]。控制電路主要由數字控制單元和模擬控制單元兩個部分構成，其中數字控制單元不僅可以接收測角數據并將其耦合成角度值，還可直接控制飛行轉臺的開關量；模擬控制單元的作用是將數字控制量按照PID算法計算出被控量，并將其轉化成模擬量送到功放電路來控制飛行轉臺電機[11-13]。

功放電路主要實現信號的功率放大作用。本設計中采用兩個串聯的LM12組成功放電路，將輸入端信號分別放大反向和正向各10倍，放大器輸出端符號相反，因此總的輸出電壓可達到56 V，并設計了由4個快速2極管組成的限壓保護電路。在輸出端，將兩路信號輸出端直接接電機驅動轉臺運行。加入電流反饋的作用是為了提高系統的平穩性，并可以從測量的電流反饋值來判斷轉臺是否超速，若超速則可緊急制動，并向DSP控制電路發送超速警報。

通信模塊是飛行控制系統與上位機進行通信的接口，設計中通過采用 TL16C550異步串行通信收發器配合AM26LS31/32實現DSP與上位機的通信。其中TL16C550的WR1和RD1共用DSP芯片的讀寫信號W/R，讀寫信號經反相后接到TL16C550的RD1端，解決了異步串行收發器不能同時發送和接收數據的問題。發送器就緒信號TXRDY和接收器就緒信號RXRDY通過一個或門共用DSP的第二個中斷源INT2，讀取中斷標志寄存器IIR的值可以識別出中斷類型。同時為了實現對飛行仿真轉臺的遠程控制，設計中采用了傳輸距離更長的485標準串口，通過DSP與工控機信息交換，實現即時顯示飛行仿真轉臺的運行狀態，運行速率以及遠程更改DSP程序中PID參數等作用[14]。

測角電路由粗、細兩種測角機構組成；粗精兩套測角系統在結構上是相同的，都采用單相激磁雙相輸出跟蹤鑒幅型方式。測試過程中利用旋轉變壓器完成粗測角，隨后由感應同步器實現精測角；前置放大器接收感應同步器輸出的精測角信號后，連通旋轉變壓器定子輸出信號轉化成數字式的角度信號，隨后進一步的由DSP控制電路進行處理。采用這種測角方式具有精度高、可靠性好、安裝方便等優點。兩通道測角數據經粗精耦合處理可達到分辨率為0.0001°和000.0000°～359.9999°的測量范圍。

3 系統軟件設計

該系統在設計過程中，軟件系統主要分布在上位機和下位機兩部分，其中上位機軟件采用VC++可視化設計，利用該軟件開發應用程序主要有兩種模式，一種是WIN API方式，另一種則是MFC方式，傳統的WIN API開發方式比較繁瑣，而MFC則是對WIN API再次封裝，所以MFC相對于WIN API開發更具備效率優勢，同時其所具備的界面簡潔，占用資源少，操作方便等優點也是本設計選擇該開發系統的原因之一[15-16]。為了日后的更新、維護與拓展，在設計過程中采用模塊化的思想，整個系統中上位機主要包括交互模塊、數值分析模塊、控制模塊等，下位機軟件系統主要包括角度檢測模塊，濾波處理模塊、位置環計算模塊、速率環計算模塊、輸出控制模塊、總線通信模塊等組成。系統軟件設計的結構圖如圖3所示。

圖3 系統軟件設計結構圖

在上位機軟件設計中，交互模塊主要用來實現上位機與下位機DSP之間的數據交換功能，可以通過上位機向下位機DSP發送控制參數，如P、I、D參數等，同樣的，下位機也通過該模塊上傳飛行仿真轉臺的狀態參數，用于上位機做出控制決策的依據。數值分析模塊主要用來對下位機上傳來的參數進行分析和處理，如當前轉臺運行的位置和速度是否在預定控制要求內，并根據分析結果向用戶提供可行的控制建議等；控制模塊的作用是將數值分析模塊提供的控制建議進行二次加工處理，并將控制參數打包后通過交互模塊發送到下位機。

下位機中的角度檢測模塊主要是通過A/D轉換器將粗、細兩種測角模式下的模擬角度值進行實時采集，并將其轉換成數字量；濾波處理模塊主要用來將前期采集和檢測到的角度值進行濾波處理（如IIR濾波），目的是將信號中摻雜的噪聲信號處理掉；位置環計算模塊的作用是通過判斷飛行仿真轉臺旋轉方向和速率環的偏差量來計算出當前轉臺所處位置；速率環計算模塊是通過計算相鄰采樣時刻的位置值之差獲得當前轉臺的運行速率；輸出控制主要是將位置環P、I、D參數和速率環的P參數進行設置，并將參數轉換模擬信號用于控制電機；通信模塊是下位機與上位機進行通信的接口，通過該接口可以實現數據的發送和接收，具有傳輸速率快的優點。

上電開始后經過總線接口初始化后進入待機狀態。若飛行仿真轉臺不在運行狀態時，可以通過485總線接收指令并改變運行速率和PID控制參數。若飛行仿真轉臺處于運行狀態，則需制動轉臺后再進行參數的修改。當主程序接收到指令時，主程序打開測角中斷進入運行狀態。在運行狀態下，主程序處于測角中斷等待狀態；DSP以0.5ms作為采樣周期；進入采樣中斷程序后進行一次測角取數，A/D轉換、濾波處理、角度耦合，PID控制量的計算以等過程。軟件設計的流程圖如圖4所示。

4 測試與驗證

該控制系統用于單軸飛行仿真轉臺的控制。在進行控制實驗時，首先啟動上位機應用程序，手動設置飛行轉臺控制參數，并通過完成通信接口設置實現對下位機DSP芯片的初始化。其中通信接口需要下位機DSP發送命令字，并接收來自DSP上傳的檢測數據進行數據分析。實驗過程中，分別針對轉臺的不同運行速率進行平穩性測試，實驗測試結果如下表所示。

圖4 系統軟件設計的流程圖

表1 采樣數據

在轉臺速度分別為0.1°/s、1°/s和10°/s情況下對控制系統進行測試，如表1所示；在獲得數據基礎上計算三種情況下的角速率精度和速率穩定度兩個指標，如表2所示。

表2 控制指標

通過實際測試發現，DSP控制系統的小偏差位置控制效果準確、穩定性高，完全滿足設計要求。

5 結束語

該控制系統采用了DSP高速數字信號處理器為控制核心，軟件上采用了基于PID算法的雙閉環控制思想，提供了控制系統的速度和精確性；該控制系統已對某型單軸飛行仿真轉臺進行測試，實際應用表明該控制系統具有控制精度高、穩定可靠等特點，達到了設計要求。

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Design of flight simulation turntable control system based on DSP

ZHAO Hui1，WANG Li-ying2
（1.Bohai University，Jinzhou 121013，China；2.Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163318，China）

Aiming at the precision of flight simulation turntable，we propose an design scheme of control system base on DSP. The hardware system，software system and control algorithm are designed in this paper.The DSP play an core control chip in the hardware system.and the software system of host computer adopts the VC++software as development environment.The double closed loop PID algorithm is applied to the DSP chip to improve the control precision.The experiment and application show that this control system has good performance，and achieve the design requirement.

DSP；flight simulation turntable；PID；high-precision；host computer

TP23

A

1674－6236（2016）24-0064-03

2016-04-20 稿件編號：201604199

國家青年基金項目(61304053)

趙 輝（1984—），男，吉林公主嶺人，碩士，助理實驗師。研究方向：智能控制、信號處理。