1553B總線噴管測控系統數字化設計與實現

褚福剛，楊全海，康 寧，韓 用

(中國航天科工集團第六研究院601所，內蒙古 呼和浩特 010076)

1553B總線噴管測控系統數字化設計與實現

褚福剛，楊全海，康 寧，韓 用

(中國航天科工集團第六研究院601所，內蒙古 呼和浩特 010076)

為滿足噴管測控試驗需要，提出了一種基于1553B總線的數字化測控系統設計方法，可用于對數字伺服機構進行控制，并提高了噴管的控制精度和穩定性。對噴管測控系統的硬件系統和軟件系統設計分別進行了闡述，同時對所實現測控系統的性能進行了驗證和測試。實際應用表明，所設計的噴管測控系統具有可靠性高、實時性和精確性好的特點。

測控系統；噴管；數字化；1553B總線

Abstract In order to meet the needs of measurement and control in nozzle swinging test,a design method of digital measurement and control system based on 1553B bus is proposed,which can be used to control the digital servo and improve the control precision and stability of the nozzle.The hardware system and software system design of the nozzle measurement and control system are described respectively,and the performance of the measurement and control system is verified and tested.The practical application shows that the designed measurement and control system of nozzle has the characteristics of high reliability,good real-time performance and accuracy.

Key words measurement and control system；nozzle；digital；1553B bus

0 引言

在噴管測控試驗中需采用伺服機構作為噴管擺動的執行機構，根據預先設定的控制指令，控制噴管的擺角或閥門的開度[1]，其控制方式屬于伺服控制技術在試驗領域中的應用。傳統伺服機構屬于模擬伺服機構，通常采用電信號控制和液壓動力相結合的方式，通過模擬信號直接進行控制,如文獻[2-3]所述，這種伺服機構雖具有交流伺服系統所具有的許多優點，但往往操作復雜、信號干擾和延時較大，同時信號精度、可靠性和安全性都不理想。根據文獻[4-5]可知，在伺服機構控制中引入數字技術，采用數字信號方式對伺服機構進行控制可彌補模擬信號控制方式的不足，為滿足噴管測控試驗中對數字伺服機構進行控制的需要，需對噴管擺動控制系統進行數字化設計和實現，還需同時滿足1553B總線傳輸要求[6]，實現對1553B總線上2套伺服機構進行同時控制和反饋信號采集。進行噴管擺動控制系統的數字化設計和實現能夠降低噴管控制試驗中控制與反饋信號的傳輸干擾和延時，并提高信號的精確性，從而提高試驗系統的可靠性，保障試驗順利完成。開展噴管測控系統數字化設計研究能夠促進噴管擺動虛擬試驗與實物試驗的進一步結合，對促進噴管擺動虛擬試驗的發展具有重要意義。

基于1553B總線進行噴管測控系統設計，不僅能滿足試驗的可靠性要求，還具有以下優良特點[7]：實時性好、合理的差錯控制措施和特有的方式命令、總線效率高、具有命令/響應以及“廣播”通信方式，適合于集中控制的分布式處理系統。

1 硬件系統設計

1.1 系統總體設計

進行噴管測控系統的數字化設計，首先要求1553B總線上所有設備能夠實現穩定快速的數據通信功能，并在各設備之間實現預定的控制策略和控制規則，以達到總線控制器對伺服機構運動狀態進行控制和測量的目標。其次要求噴管擺動控制系統能夠滿足對伺服機構動態性能進行測量的指標要求[8]，具體指標包括：伺服機構反饋信號的延時時間、所有信號的干擾以及啟動信號的啟動時間等。此外，噴管擺動控制系統實現數字化設計后還必須具有較高的可靠性和穩定性。依據1553B總線基本結構和噴管擺動控制系統要求實現的硬件系統設計方案如圖1所示。

圖1 噴管擺動控制系統組成

噴管擺動控制的硬件系統組成包括測試機、控制機、遠程數字信號傳輸系統、1553B連接線路、耦合器和供電電源等部件[9]。整套系統采用分布式部署模式，其中控制機、耦合器布置在試驗臺側的隔離間，并采取減震抗沖擊保護措施，測試機、電源等布置在操作間，實現遠程控制。整套系統發送和應答指令信息全部采用1553B總線協議，并由1553B總線耦合器和線纜連接。

控制機是噴管擺動控制系統的核心設備，實現對伺服機構的核心控制功能[10]，設置為下位機，負責接收測試機的啟動指令和控制噴管擺動。根據文獻[11-12]進行控制機的設計，實現的具體功能包括接收測試機指令信號、返回接收狀態字、控制伺服機構擺動、采集伺服機構運動狀態信息和向測試機返回控制信息等功能。

測試機設置為上位機，實現遠程控制功能，負責接收主控臺啟動信號，在控制前將擺動信號加載到控制機，控制過程中遠程監控控制機返回的伺服機構狀態信息，實現的具體功能包括：發送指令信號、接收狀態字、接收試驗數據、接收和反饋控制臺啟控信號、傳輸啟動信號給控制機等，同時能夠實現對伺服機構的供電和狀態檢測。

監視機的硬件配置與控制機相同，直接與1553B總線相連接。監視機的硬件設計參考了文獻[13-14]的研究內容，并設置了與總線斷開的功能，因此能夠根據試驗需要，方便地將監視機從總線斷開，實現增加監視機、刪除監視機和監視機與控制機互換等功能。

噴管擺動控制系統數字化設計中，采用1553B數據線纜作為系統控制線纜；采用工業級朝陽電源作為控制機和伺服機構供電電源；采用中斷控制方式實現控制機、監視機的時序控制；控制機將控制信息和采集到的伺服機構狀態信息實時傳送到測試機，測試機對試驗數據自動存盤，避免數據丟失。

1.2 數字信號傳輸設計

由于推力向量控制試驗中會產生較大的噪聲和強烈震動，控制系統需設計成遠程控制方式，即測試機遠程啟控控制機，控制機遠距離控制伺服機構。其中測試機與控制機之間傳輸距離長約數百米，控制機與伺服機構之間距離長約數十米。因而實現長距離的數據傳輸是實現噴管擺動控制系統數字化的一個關鍵部分。設計中針對控制特點和傳輸距離采用2種傳輸方式實現：光纖傳輸和1553B總線傳輸。

測試機和控制機之間的傳輸采用單模光纖作為傳輸媒介，采用TCP/IP協議作為傳輸協議[15]。這種傳輸方式成熟穩定，既能保證傳輸的速度，同時也能保證傳輸的可靠性，能夠降低傳輸成本，適合于長距離傳輸。

控制機與伺服機構之間距離較短，實現對伺服機構的直接控制，參考文獻[16-17]進行1553B總線傳輸設計，采用1553B總線線纜直接連接控制機和伺服機構，總線上所有設備全部運行1553B總線協議完成通信，同時所有設備全部通過耦合器接口連接。

2 軟件系統設計

噴管擺動控制系統軟件設計中采用指令/響應異步工作方式實現[18]，其中控制機采用主動式通信方式與測試機通信，即服務請求機制。當控制機有數據需要傳送時，首先請求測試機將消息發送主動權交給控制機，然后控制機將伺服機構狀態信息在較小的時間延時內傳送給測試機。控制機向測試機傳送伺服機構運動狀態信息的工作過程如下：將伺服機構的反饋電位計信號通過A/D轉換后存放在指定的數據存儲器緩沖區中，同時將發送請求位和狀態字相應位設置為高電平，向測試機請求發送消息；測試機采取查詢方式接收控制機請求信號，在每個總線幀開始時段查詢控制機的服務請求，并根據狀態字安排相應的消息發送。這種通信方式能夠保證消息傳輸的實時性，同時能夠保證系統的同步運行和降低系統運行負荷，避免產生較大的時延。

數字化的噴管擺動控制系統通信流程圖如圖2所示。

圖2 通信流程

噴管擺動控制系統軟件的編程實現中，根據各設備的功能特點分別采用不同的語言實現，測試機客戶端軟件的編程采用Delphi語言編寫，控制機和測試機之間的通信協議采用TCP/IP傳輸協議實現。測試機軟件實現的功能包括：1553B總線上各設備之間的接口檢查、自檢等指令交互；啟控前實現軟件設置、控制波形的編制與下載；啟控后實現數據波形的監視等[19]，測試機操作界面如圖3所示。

圖3 測試機操作界面

控制機服務端軟件的編程實現采用C++Builder2007進行編寫，主要實現與伺服機構的接口檢查、自檢等指令的交互，以及實現發控等一系列的動作，并把交互的結果通過遠程傳輸到測試機[20]，控制機操作界面如圖4所示。

圖4 控制機操作界面

3 系統測試

3.1 功能驗證

對噴管測控系統進行功能驗證，驗證平臺包括伺服作動器、地面能源系統和遠距離傳輸系統等，均為實際試驗用設備。驗證的功能包括1553B總線通信功能、測試機信號編輯功能、測試機與控制機的遠程通信、控制機對作動器的控制以及控制機采集作動器狀態信息等，驗證結果如表1所示。

表1 功能驗證結果

根據表1所得測試結果，可以得出所實現測控系統具備普通測控系統的各項測控功能，各組成設備能夠與1553B總線設備進行正確通信，因此可用于對1553B總線數字伺服作動器進行測控，彌補了傳統伺服測控方式的不足。

3.2 延時測試

反饋延時是衡量伺服測控性能的一個重要指標，反饋延時過大可能導致測控系統無法實現閉環控制，引起噴管擺動試驗失敗，造成巨大損失。因此反饋延時必須盡量短，且不能超過一定范圍。由于測控試驗波形可由正弦波、方波、梯形波及其組合波形構成，因此采用上述波形對測控系統進行反饋延時測試，并與傳統的模擬伺服測控系統反饋延時進行對比，統計結果如表2所示。

表2 反饋延時測試結果

由表2能夠得出論文所實現的測控系統反饋延時與原測控系統相比平均降低0.033 s，其原因是所實現的系統采用了更快處理速度的元器件，并采用了1553B數字總線實現數據交互，因此提高了噴管測控試驗的實時性和可靠性。

3.3 幅值測試

反饋幅值能夠表示出伺服作動器的實際伸縮長度，即反映噴管的實際擺動位置，是噴管控制的實際效果，因此用作測控系統的測試指標。對所設計的測控系統的反饋幅值進行測試，并與原測控系統反饋幅值及信號幅值進行對比，如表3所示。

表3 反饋幅值測試結果

根據表3可知，針對噴管測控波形的零位和3個基本波形的極值點進行幅值測試時，實現的測控系統反饋幅值均優于原測控系統，反饋幅值平均誤差值降低到0.015 V，與原測控系統的平均誤差值0.02 V相比更接近于控制信號，因此所設計的測控系統具有更好的測控效果。

4 結束語

基于1553B總線開展噴管擺動測控系統的數字化設計，由于采用了數字信號的控制和傳輸方式，在具備了對數字伺服機構控制功能的同時。所設計的測控系統能夠降低反饋信號的傳輸延時，并能夠提高控制信號的控制效果。此外，由于1553B總線具有備份控制和容錯機制等多項優點，因此較大地提高了所設計的噴管擺動測控系統的可靠性，并使該測控系統可進行分布式部署，進一步使控制機近距離控制伺服機構，使伺服機構能夠更好地跟蹤指令信號，有助于提高試驗的控制精度。采用所設計的數字化噴管擺動控制系統已參加了多次試驗，傳輸延時和控制精度均優于傳統的模擬控制系統。

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Digital Design and Realization of Measurement and Control System of Nozzle Based on 1553B Bus

CHU Fu-gang,YANG Quan-hai,KANG Ning,HAN Yong

(The601stInstituteofthe6thAcademyofChinaAerospaceScienceandIndustryCorporation,HohhotInnerMongolia010076,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.16

褚福剛，楊全海，康寧，等.1553B總線噴管測控系統數字化設計與實現[J].無線電工程,2017,47(8):67-70.[CHU Fugang,YANG Quanhai,KANG Ning,et al.Digital Design and Realization of Measurement and Control System of Nozzle Based on 1553B Bus[J].Radio Engineering,2017,47(8):67-70.]

2017-03-24

國防基礎科研基金資助項目(A0420133311) 。

V416

A

1003-3106(2017)08-0067-04

褚福剛 男，(1983—)，碩士，工程師。主要研究方向：推力向量測控。

楊全海 男，(1982—)，碩士，工程師。主要研究方向：推力向量測控。