氣動力模擬器的實時控制分析與軟件設計

(北京衛星環境工程研究所，北京 100089)

0 引言

傳統方式的氣動力模擬加載伺服系統結構設計大多采用一臺計算機完成其所有的功能：控制、數據采集、監控管理和曲線顯示等。這種計算機控制體系結構簡單，但計算機的負擔太重，需要處理的內容太多，嚴重制約了系統性能的提高[1-4]。為實現高性能的控制及便捷的使用，我們采用設計上下位機兩個軟件來實現伺服機構性能測試變加載系統的測控系統。

對于基于計算機的伺服控制來說，實時性是其控制的核心，沒有實時性也就無法保證控制的順利進行，更不用說達到高性能的指標了,所以分成兩個軟件來實現整套測控系統軟件。計算機測控系統必須具備良好的實時性。同時，測控系統還必須具備人性化的操作界面，方便操作人員的使用。由此可見豐富美觀的操作界面是計算機測控軟件的一大需求，基于人們普遍對Windows圖形化界面的熟悉及歡迎，因此測控系統軟件的操作界面應該具備基于Windows的圖形化表現形式。

從上面的分析不難得出，計算機測控軟件要具備兩個基本特征，一是控制的實時性，二是操作的人性化需求。然而這兩個特性之間又是沖突矛盾的，這是因為具有人性化操作界面的軟件是基于Windows圖形化操作系統的，然而Windows操作系統的任務分配是通過搶占式，不具備伺服控制需求的實時性。

為了解決上述矛盾，設計采用兩臺工業控制計算機來實現測控軟件的總體需求，其中一臺運行Windows操作系統，并基于Windows操作系統開發了圖形化的操作軟件，該軟件控件豐富，圖形美觀，操作簡單，類似于Windows操作風格，為綜合管理子系統，它具有圖形化操作界面、能完成與人交互功能、能實現操作人員對系統的各種操作命令，并豐富的展現系統各方面數據，但它不具備實時性。第二臺工業控制計算機安裝具有實時性的操作系統，例如典型的傳統DOS，可用于伺服控制的程序，為實時控制子系統。即采用兩臺工控機分別搭建了便于操作人員使用的綜合管理子系統及用于伺服控制的實時控制子系統，兩個系統之間采用以太網相連，完成命令及數據的交互。

這種體系的計算機測控軟件結構雖然很好的滿足了系統需求，但是其最大的缺陷是：

第一，結構復雜，調試繁瑣；

第二，兩臺計算機必須通過某種機制來完成數據通訊，常見的方式是采用網絡機制，但是由于伺服系統性能要求很高，數據量龐大，采樣周期小于1 ms，甚至0.5 ms以下，網絡通訊傳輸造成的計算機資源占用成為壓縮采用周期的最大瓶頸，嚴重影響了系統性能。

隨著信息科技的進步及計算機性能的大幅提升，一種基于實時操作系統 (Real-Time Extension，RTX)的Windows實時操作系統技術的出現為解決上述缺點提供了有力的支持。這種系統的特點是，其基本架構仍然是Windows操作系統，因此它仍然具備Windows操作系統所具有的圖形化設計優點，同時它將具有實時性的RTX技術嵌入到Windows操作系統中來，使得Windows操作系統在保留其自身優勢的同時具備了在特定條件下的實時性。利用這一技術，我們采用單臺工業控制計算機就可以搭建我們所需求的綜合管理子系統和實時控制子系統了。綜合管理子系統仍然運行在Windows環境下，具有豐富美觀的操作界面。實時控制子系統運行在RTX環境下，具備了實時性特征，二者之間的通信不必再用復雜網絡實現，而是直接采用RTX所提供的共享內存機制，在一臺計算機上通過內存的共享模式方便的實現了命令及數據的交互。

1 軟件總體結構

空氣動力加載系統應用在飛行器空氣動力學半實物仿真平臺試驗中，其實際功能主要有硬件在環的半實物仿真、控制信號生成與數據分析、以及空天飛行器舵面作動機構的獨立測試。本軟件系統，首先要實現與半實物仿真系統的通信，接收系統發送來的測試指令；然后要有合適的人機交互功能，實現數據的顯示，控制參數的錄入，和數據的保存；還要有對加載臺體各傳感器信號的采集與處理；最重要的是對加載作動元件的實時控制，當然其內部必須內置有先進的控制方法，用來實現最優控制指令的解算與生成。其結構如圖1所示[5]。

圖1 測控系統軟件整體方案圖

該測控系統由兩部分組成：綜合管理子系統和實時控制子系統。

采用綜合管理子系統與實時控制子系統這種功能分布式結構形式可以很好地克服單個程序的缺點。將底層功能進行分工，綜合管理子系統負責數據處理、主要的控制參數的調整，數據通過共享內存機制下載到實時控制子系統中，解放出實時控制子系統，使其能夠以更小的控制周期完成控制任務。整個綜合管理子系統采用Windows操作系統，具有非常友好的界面；實時控制子系統采用RTX實時控制平臺，可以直接應用中央處理器(CPU)的硬件定時周期，令采樣周期變短，同時，實時控制子系統只需一個顯示當前狀態的監視界面即可。當軟件調試完成后，實時控制子系統可以完全脫離監視器而運行。實時控制子系統的所有操作都可以通過綜合管理子系統來完成。這樣不但可以減輕計算機的負擔，也可以實現良好的界面，從而是操作更加簡單，直觀。

綜合管理子系統和油源虛擬儀表軟件采用均是基于Lab Windows/CVI開發而成，Lab Windows/CVI是基于C語言實現，易于根據需要拓展軟件功能該編程軟件集成了豐富的界面及控件，用戶使用方便。使用該軟件設計的綜合管理子系統程序界面美觀、控件采用虛擬化儀表形式，靈活易用，貼近實際，操作簡單，從該程序可以方便快捷的實現如下功能集：

1)加載開始、位置和力矩的歸零、加載停止、記錄數據、保存數據、程序退出等命令集。

2)通道選擇、指令幅值、指令頻率，指令波形、測試類型等指令集。

3)參數設定、參數整定、參數保存、曲線顯示、誤差監控等功能集。

實時控制子系統是基于RTX的Windows實時操作系統，采用VC++以及RTX編寫。基于RTX的實時控制子系統是保證程序完成實時控制的核心，是伺服控制的中樞，其主要完成接受來自綜合管理子系統的命令集及指令集，通過實時數據采樣，計算加載系統的跟蹤誤差，經由復合控制算法，得到控制量，并將控制量通過數模轉換板卡轉化成模擬量，驅動加載控制器形成伺服閥的驅動電流，進而控制加載系統跟隨指令，完成控制動作[6]]。在完成伺服控制的同時，實時控制子系統同時還將采集到的數據傳遞給綜合管理子系統，綜合管理子系統進行數據的處理與顯示。

2 綜合管理子系統軟件

綜合管理子系統是加載控制系統的總控，和總管級，作為人機交互與數據后處理的實現部分。交互功能包括系統的各項指標的顯示與監控，控制參數的錄入，系統工況選擇，與系統的啟停等。綜合管理人機交互子系統基于Lab Windows/CVI開發。

2.1 綜合管理子系統綜述

軟件主要功能如圖2所示。

圖2 綜合管理子系統軟件功能

系統有靜止加載、對頂加載、運動演示及半實物仿真四種測試模式。下面分別解釋各工作狀態的意義。

1)運動演示：運動演示是對各個通道獨立進行位置控制，可以用來查看通道本身的物理狀態和查看舵機加載器的位置控制精度。

2)靜止加載：靜止加載是用來檢驗系統無擾時的工作性能，考核系統的無擾頻寬和力矩跟蹤精度等情況。

3)對頂加載：對頂加載是在沒有舵機的情況下檢驗系統的動態性能，包括系統的消除多余力、動態頻帶等。

4)半實物仿真測試：仿真測試是和舵機一起進行半實物仿真的控制，完成和仿真計算機通訊，接受載荷指令完成加載的功能。

圖3為綜合管理子系統的程序流程圖，系統首先要創建與實時控制系統通訊用的共享內存，然后設定參數值，控制實時程序啟動。而每次定時器函數觸發，則運行(b)流程，把共享內存中的各種采集數據讀取出來并顯示。

圖3 綜合管理子系統程序流程

綜合管理子系統半實物仿真試驗監控界面如圖4所示。

圖4 綜合管理子系統加載試驗監控界面

四個測試界面采用相似的界面布局和功能設置，

每一測試界面分為四個區域，分別是指令波形與采樣波形顯示區(下簡稱波形顯示區)、通道設置與參數設置區(下簡稱設置區)、操作區、油源監控區。波形顯示區由四塊示波圖組成，每一示波圖具有通道選項、Y坐標選項和波形內容標簽等狀態參數，示波圖顯示實時的指令波形或者采樣波形。左側兩圖分別顯示力矩指令與力矩采樣波形、角度指令與角度采樣波形，右側兩圖顯示的波形可根據內容選項選擇。各圖的波形顏色與標簽文字一致，如指令波形為白色，采樣波形為紅色。通道選項可選擇所要顯示的通道波形，且具有四圖聯動的特點。Y坐標選項可根據波形幅值進行調節，波形幅值將進行相應比例的放大或縮小。

設置區包括通道設置和控制參數設置，點擊區域左側相應的標簽進行轉換。通道標簽中包含相同的設置內容，啟動前可進行相應的設置。通道標簽與波形顯示區通道選項有聯動特點，保證激活的通道標簽與波形顯示內容一致。

操作區包括三項系統操作和三項數據操作。在結束數據記錄并保存后可通過數據回放按鈕，設置回放軟件路徑并打開軟件，進行數據回放和結果分析。

數據重現與處理子系統有著完整功能，預留了與主系統的數據接口，其界面如圖5所示。

圖5 綜合管理子系統軟件的數據處理窗口

綜合管理子系統參數設定模塊如圖6所示。

圖6 指令及參數設定界面

2.2 油源虛擬儀表軟件

油源是電液負載模擬器系統的能量之源。油源的穩定運行是加載系統加載精度的保證也事關系統的整體安全，對油源壓力、溫度等各種參數的準確及時的測量和監控是控制系統必須的基本功能[8]。同時由于安全性考慮，遠程虛擬操作能力也是油源控制軟件必備功能。

油源虛擬儀表軟件能夠實現油源控制器上的全部操作與監控功能，可以植入到遠程控制終端上，實現遠程的油源管理、監控與操作。

油源虛擬儀表軟件仍然采用LabWindows/CVI編寫。

油源虛擬儀表軟件的主界面如圖7所示。

圖7 油源虛擬儀表軟件的主界面

油源控制面板包括壓力設定區、壓力溫度指示區、狀態記錄區、狀態警示區和油源控制區。選擇串口正確后，即可對油源壓力進行設定，對油源進行控制，相應的操作在系統狀態欄中都會有提示。

3 實時控制子系統軟件

實時控制子系統是運動伺服控制系統的直接控制中樞，用以構成多個通道回路的控制。

實時控制子系統軟件采用美國Ardence開發的RTX應用，通過VC++編寫相應的控制程序，可以實現實時控制與信息采集。

RTX實時擴展內核是Windows平臺上的實時解決方案，在Windows下的RTSS(實時擴展子系統)中運行RTSS程序，可以達到0.1ms的定時步長，能夠達到很高的實時性。通過RTX提供的共享內存機制，可以十分方便的把RTSS實時進程采集的數據和輸出的指令提供給其他的Windows進程

實時控制子系統軟件主要功能模塊如圖8所示。

其中綜合測試單元通訊模塊可根據用戶需求定制。

圖8 實時控制子系統模塊分析

實時控制子系統采用模塊化結構，子模塊各自單獨測試，設計效率可提升，各子系統功能模塊如下。

1)板卡驅動模塊：主要完成初始化各板卡功能。

2)數據采集模塊：主要完成平臺各傳感器數據采集功能。

3)控制算法模塊：封裝了各種常用控制算法。

4)控制輸出模塊：主要完成將控制量輸出至驅動器功能。

5)定時器模塊：主要程序主定時器，完成實時功能。

6)共享內存模塊：主要完成綜合管理子系統與實時控制子系統通信功能。

7)實時控制主程序模塊：調用各模塊，完成實時控制需求。

圖9為實施控制子系統的程序流程圖，(a)中為主程序，主要是把共享內存內各種參數讀取并使用，然后令定時器開始工作。(b)中為中斷運行程序，主要進行數據采集和控制算法的運行以及控制指令的輸出并把采集的數據傳到共享內存中。

圖9 實時控制子系統程序流程

4 系統主要特點

此負載模擬系統軟件功能上和技術上具有如下鮮明的特點：

1)多通道平行測控；可同時為多達4個通道同時提供測控，大大增加了應用場景，可服務于多種飛行器對象，提高系統效率。

2)高速的多路A/D、D/A數據采集與控制，采樣精度高，采集效果好；

3)豐富的通信接口驅動，支持CAN總線，以及短距大快速大數據傳遞最常用的VMIC實時網絡，還能支持RS422協議。豐富的通信接口大大方便了加載系統與仿真計算機的通信；

首先，氣動力模擬加載伺服系統是一種較大型系統，而且要應用到半實物仿真的分布式系統中，業內公認的大型分布式系統的實時通信連接方式就是VMIC實時網絡方法，利用VMIC實時網絡將負載模擬、仿真計算機、轉臺和導航等各個分系統連接起來，可以實現大量數據的快速傳遞；同時，CAN總線接口是標準的現場總線形式，可實時傳輸數據，搭建的系統可靈活擴充，且對于工業現場的各種電磁干擾有很好的屏蔽能力，也沒有模擬信號的長距離衰減問題，因此應用廣泛；本系統還配備了備用串并口接口，對于無法使用VMIC及CAN總線的實驗對象，可以使用該接口通訊，同時，串并口接口也可作為測試儀器的接口，用來實時采集加載系統的主要測試參數，或者作為一個輸入接口，可接收其他串并口設備的測試信號。

4)先進的多種現代控制、智能控制等計算機控制算法工具箱；

程序中提供了多種控制算法工具箱，既有經典的PID控制算法，也有各種非線性對象控制算法，包括Fuzzy控制、魯棒控制以及現代智能控制算法如神經網絡控制等，便于實驗人員根據不同的加載對象和加載需要使用不同的算法。

5)綜合管理子系統和實時控制子系統由于使用同一工控機，兩者之間共享內存，數據傳輸實時性更好，連接無時延。

6)直觀簡潔的人機交互界面：綜合管理子系統采用窗口化顯示，數據顯示清晰，控制功能齊全，參數輸入方便，充分考慮了人機工程，可大大增加實驗人員的測試效率。

7)完整的測試、采樣、數據存儲、信號分析和處理技術;

本加載系統軟件還提供了數據存儲功能和后期數據處理功能，包括眾多數據處理與分析方法，極大地增加了系統便利性，為研究人員的數據使用和分析提供了非常方便的手段，避免用戶導出數據和使用其他軟件進行數據分析的繁瑣過程。

8)充分考慮了數據的后續深度處理；

本控制軟件里的數據分析功能有限，考慮后續的數據深度處理分析，因此數據可保存為各種主流數據處理軟件支持的格式，便于后續數據處理。可以支持Matlab和Labview兩種數據處理軟件，足夠研究人員進行后續的數據處理與分析。

5 結束語

現代戰爭中決勝的關鍵往往是先進的、精確的制導武器技術，其攔截、突防和精確打擊能力是衡量武器系統水平的重要標志，"精確性"是武器性能的核心，飛行器的姿態和軌跡控制是關鍵，這個過程是靠飛行器舵面所受氣動載荷調節完成的，氣動力負載模擬器是飛行器地面試驗必備設備，主要用于提高武器精確打擊準確性的試驗中，對提高武器打擊精度意義重大。本氣動力模擬器控制系統軟件，采用上下位機架構，設計了簡潔的控制架構，控制周期可以達到微秒級，滿足了模擬器系統實時加載的需求，提高了半實物仿真的可信度，為先進控制算法的實用化建立了基礎。