光電裝備模擬訓練數字跟蹤轉臺實時仿真

李 慧,王重陽,許振領,王 敏

(中國洛陽電子裝備試驗中心,河南 洛陽 471003)

1 引 言

光電捕獲跟蹤設備是光電對抗裝備(激光定向干擾系統、光電火控系統等)的重要組成部分,其作用距離、跟瞄精度、復雜環境適應能力、機彈切換能力等性能指標直接影響裝備的作戰效能[1],其中,跟瞄精度與設備跟蹤伺服系統的控制性能密切相關,而復雜環境適應能力、機彈切換能力等除了與圖像處理性能和伺服控制性能相關外,主要依賴于設備操作手操控水平的高低。數字圖像注入式閉環仿真方法因其戰情設計靈活、環境要素構設全面、簡單易行等優點在武器裝備科研試驗、部隊訓練演練中得到了廣泛應用[2],能夠對被試裝備的性能、極限邊界能力和操作手操控能力進行全面充分考核,將來在武器裝備作戰試驗中也必將發揮重要作用。

在進行光電裝備模擬訓練過程中,當被試光電捕獲跟蹤設備跟蹤轉臺實裝不參與時(圖像信息處理分系統和操作手均正常工作,跟蹤伺服分系統用仿真模型代替),通過開發一套數字仿真轉臺來模擬跟蹤轉臺實裝的功能性能,采用數字圖像注入式仿真手段同樣能夠為設備構建逼真的光電信號環境,達到考核設備性能和操作手操控能力的目的。而且設備操作手按照正常操作流程對被試設備模擬系統進行操作,通過設置不同樣本量的模擬訓練戰情(多批次編隊目標,復雜干擾環境、飛機發射導彈等),可對操作手進行反復訓練,錘煉實戰能力。

由于模擬跟蹤伺服系統功能性能的數字仿真轉臺需要與注入式仿真系統及被試設備實裝部分連接,因此首先需要建立數字轉臺的仿真模型,然后該模型需要按照給定步長實時、可靠運行。對跟蹤伺服系統的設計與建模普遍采用Matlab/Simulink及專用控制工具箱等,對于伺服系統性能的實時仿真與測試一般基于Matlab提供的RTW(Real-time workshop)產品,而RTW主要有兩種實時仿真開發平臺[3-5]:xPC和dSPACE,與dSPACE相比較,xPC實時仿真環境容易實現,可用于產品快速控制原型開發、測試和配置實時系統?；诖?采用上下位機架構建立了跟蹤伺服系統數字轉臺的實時仿真環境,完成了實時仿真系統軟硬件設計。上位機采用Simulink進行數字轉臺的仿真建模,并將Simulink環境下的復雜控制算法、被控對象模型以及板卡驅動模型編譯成實時優化的C代碼下載到目標下位機；目標機通過I/O板卡與外部設備進行信息交互并將數據回傳,上位機可以在線監控及修改控制參數,從而完成跟蹤伺服系統的閉環實時仿真。

2 跟蹤伺服系統性能實時仿真平臺設計

對于跟蹤伺服系統性能的實時仿真、開發與測試一般采用單機型實時仿真計算機和主副機型基于Matlab/RTW工具箱的仿真機。目前基于半實物仿真技術的控制系統開發及測試的實時仿真軟硬件產品,國外主流產品包括:加拿大RT-LAB實時仿真平臺,美國ADI公司的rtX和RTS、并行計算機公司的IHawk、NI公司的Labview-RT實時仿真平臺,德國dSPACE實時仿真平臺等；國內成熟產品有銀河仿真工作站YH-AStar,海鷹仿真工作站HY-RTS,HiGale實時仿真機、Links-RT實時仿真機等。

其中,YH-AStar、海鷹仿真機、IHawk等單機型產品性能優異,但就像dSPACE、rtX等實時仿真系統一樣,需要專門的硬件系統與軟件環境,投資相對較大；HiGale、RT-LAB等基于Simulink的主副機型仿真平臺實時性能較好,但也需要購置多種I/O板卡驅動庫RTD和仿真控制軟件等。本文選擇基于Simulink/RTW/xPC Target構建實時仿真軟硬件環境,在保證實時性同時不需要額外購買價格昂貴的實時計算機,具有成本低、調參方便、性能較高、可視性好等優點。

在光電對抗裝備模擬訓練系統中,跟蹤伺服系統性能實時仿真平臺與模擬訓練系統中其他設備、計算機之間的關系如圖1所示。跟蹤伺服系統性能實時仿真分析平臺設計實現包括實時仿真分析平臺硬件系統設計、跟蹤伺服系統Simulink仿真模型建立、軟件實現三個部分。

圖1 跟蹤伺服系統實時仿真分析平臺結構框圖

2.1 系統硬件實現

xPC Target采用雙機模式,通過串口或以太網連接來實現相互通信。在宿主機中建立光電跟蹤伺服系統的Simulink仿真模型,采用C MEX S-函數編寫接口卡驅動程序并封裝為驅動模塊,加入到光電跟蹤伺服系統的Simulink仿真模型中,并對模型進行離散化處理以建立實時模型,然后利用RTW自動產生優化、可移植的代碼,將其下載到具有實時內核的目標機中。為了實現數據采集和通訊,采用Moxa公司的CP-134U多串口卡分別接收信號處理機、操作手和時統設備發送的脫靶量、引導指令和中斷信號,利用目標機主板串口發送實時解算的碼盤數據以一定頻率送給圖像仿真計算機；目標機和宿主機之間通過網卡進行通訊,目標機外部接口關系如圖2所示。

圖2 xPC Target目標機的外部接口

因此,需要在宿主機上編寫CP-134U多串口卡的驅動程序,包括串口發送、串口接收和串口設置三個S函數模塊,自動編譯、產生實時代碼下載到目標機上進行實驗,來驗證驅動程序的穩定性和可靠性。其中,串口設置模塊用于配置串口通訊協議以及波特率、數據位、校驗位和字節長度等初始化信息；串口接收模塊用于按照一定中斷頻率實時接收引導指令、脫靶量數據；串口發送模塊用于按照固定頻率實時發送碼盤數據給圖像仿真計算機。

2.2 跟蹤伺服系統仿真模型建立

紅外捕獲跟蹤設備因視場角較小,在有些情況下如目標距離較遠或不能直視時,需要采用引導方式進行隨動跟蹤,一旦捕獲目標后可轉為半自動跟蹤或自動跟蹤方式,即紅外捕獲跟蹤設備一般具有三種工作模式:數字引導、單桿速率、圖像自動跟蹤[6-7]。如圖3所示為方位跟蹤伺服系統跟蹤模式框圖,俯仰和方位跟蹤系統基本結構相同都是有差閉環控制系統。其中伺服電機和負載(即被控對象)是基本的,而功放、控制器(即位置回路與速度回路的補償校正)是需要根據性能指標要求進行設計的(電機的參數、負載的參數和實際可能存在的摩擦等是決定控制器設計的三個要素),控制系統設計的目的是設計補償器使系統的跟瞄精度、閉環帶寬滿足給定的性能指標,同時保證系統的過渡過程快速平穩和使系統穩定可靠工作。

圖3 紅外捕獲跟蹤設備方位跟蹤伺服系統三種工作模式

采用Matlab/Simulink動態仿真軟件對其進行建模和仿真分析,根據跟蹤伺服系統的性能指標,采用經典的頻域分析法進行設計和校正,可確定系統各個環節傳遞函數的參數,最終建立其Simulink仿真模型。利用該模型可對紅外捕獲跟蹤設備在不同輸入信號作用下的動態響應輸出進行仿真分析,但由于仿真時間是非實時的,且建模時忽略了一些干擾與非線性因素,得到的仿真結果不足以全面、準確考核設備動態性能,也不能滿足半實物仿真系統聯調或模擬訓練時實時響應要求。

2.3 系統軟件實現

該實時仿真分析開發環境目標機采用研華工控機,I/O板卡采用moxa多串口卡,宿主機采用普通PC機,并且安裝Matlab R2012b,Microsoft Visual Studio 2010等常用軟件,其軟件實現過程如下:首先在宿主機上建立多串口卡驅動程序模型和實際跟蹤轉臺Simulink仿真模型(包括控制器模型和被控對象動力學模型),然后在宿主機上生成xPC實時內核的啟動盤并啟動目標機,最后將自動生成可執行程序下載到目標機實時運行。

2.3.1 基于xPC Target的多串口卡驅動程序開發

MATLAB/xPC Target是基于RTW體系結構并且能夠使PC機變成一個實時操作系統的產品,它能夠在PC機上實時運行與物理系統連接的Simulink模型,在MATLAB/Simulink環境下的半實物實時仿真系統中起到快速原型化及硬件在回路仿真與測試的作用。其運行機制與Windows操作系統存在根本性的差異,而一般情況下接口卡制造商提供的驅動程序都是基于Windows操作系統。為了能夠擴展xPC工具箱應用范圍,開發基于xPC Target的接口卡驅動程序滿足光電跟蹤伺服系統實時仿真需求是十分必要的。

采用C MEX S-函數開發多串口卡等驅動程序模塊。通過打開Matlab庫中的C MEX S函數的模板,其中包含mdlInitializeSizes,mdlInitializeSampleTimes,mdlStart,mdlOutputs和mdlTerminate等回調函數,在mdlInitializeSizes函數中進行各項設備初始化工作；在mdlOutputs函數中編寫每一采樣時刻設備的輸入輸出程序；在mdlTerminate函數中進行仿真結束時的各項設置。而重點工作則是在mdlOutputs函數中進行板卡寄存器的讀寫來完成串口數據收發功能,一個較為完整的多串口設備驅動可以分為7個模塊:設備初始化Setup；數據發送使能Enable TX；發送數據Write HW FIFO；接收數據Read HW FIFO；設置中斷；讀中斷Read Int Status；判斷中斷類型Filter Int Reason,根據需要選擇模塊建立設備驅動。通過調用板卡的寄存器操作函數,實現串口板卡功能,最終完成串口通訊模塊的創建,具體的驅動程序編制過程將另文進行闡述,這里不再贅述。

2.3.2 伺服控制算法詳細設計

伺服系統控制軟件能夠進行跟蹤方式選擇控制,切換三種跟蹤方式,處在單桿狀態時,可增加一個模擬單桿控件用以模擬單桿功能,實現方位、俯仰的控制。紅外跟蹤伺服系統控制軟件用于完成simulink仿真模型每個環節的數字化處理以建立實時仿真模型,支持目標機上串口卡的驅動程序的開發,實現數字引導、單桿速率、圖像自動等三種跟蹤方式的切換控制,并記錄接收和發送的數據。實時仿真時,在目標脫靶量及控制指令(一般為50 Hz)、時統中斷信號(一般為800 Hz)的觸發下,伺服系統仿真軟件分別進行伺服系統位置回路、速率回路參數的實時解算,并按照時統中斷頻率輸出轉臺角度等參數。控制軟件詳細算法流程如圖4和圖5所示。

利用C MEX S函數進行數字控制器實現時,引導數據頻率為100 Hz(可設置),主控計算機以100 Hz的速率通過串口給跟蹤轉臺計算機下發引導數據,跟蹤轉臺計算機與主控計算機之間的串行通訊采用RS422標準,并且具有統一的時統信號。編碼器采樣頻率為400 Hz,當編碼器采樣時刻到來時,要完成讀取編碼器當前時刻的值,位置差分計算速度,位置校正和速度校正這些任務。

差分測速:設j時刻編碼器位置為θ(j),前n時刻編碼器位置為θ(j-n),取q(θ(j)-θ(j-n))/nT為j時刻的速度值,T為采樣周期。為了使測速曲線光滑,取j時刻前兩個采樣時刻的測速值與j時刻測速值的平均值為j時刻的測速值。

圖4 主程序流圖

圖5 中斷程序流圖

校正環節的數字化實現,編制計算機程序時可用直接法、串聯法和并聯法等三種方法。若速度環校正網絡形式為:

GVC(s)=K(T2S+1)(T3S+1)/(T1S+1)(T4S+1)

(1)

則串聯法實現時,對G(s)進行雙線性變換:

G(z)=Z[G(s)]|s=2(1-z-1)/Ts(1+z-1)

=Kz(1-Bz-1)(1-Cz-1)/(1-Az-1)(1-Dz-1)

(2)

其中,Kz、A、B、C、D為常數,分別為:

(3)

由于串聯法實現時,存在著大量乘積運算導致舍入誤差大,故這種形式的G(z)的數字校正在選擇實現結構時往往以并聯實現結構為最佳,即將上式分解為并聯形式:

(4)

(5)

則采用C Mex S函數設計得到的數字控制器模型,經過編譯命令mex sfun_azimuth.c后,可生成可調用的動態鏈接庫文件sfun_azimuth.mexw32(即dll文件)。被控對象(電機和負載)的數學模型建立之后,同樣也可以用C MEX S-函數來實現,如圖6跟蹤伺服系統實時計算分析模型中sfun_azimuthmotor所示。

圖6 跟蹤伺服系統實時計算模型

在紅外捕獲跟蹤設備的跟蹤伺服系統中,指控計算機通過串口發送的數據頻率為100 Hz(可設置),編碼器采樣頻率為400Hz,控制算法的遞推運算也按照400 Hz周期進行。

3 跟蹤伺服系統性能實時仿真分析平臺試驗測試

對于某紅外捕獲跟蹤裝備方位軸跟蹤伺服系統,加載設置好各個環節參數,各環節可在數字控制器C MEX S-函數中進行離散化實現。上位機發送引導數據頻率為100 Hz,時間延遲為0.02 s時,對于輸入為等效正弦信號時,經過仿真得到的動態控制誤差如圖7(a)所示。使用RTW實時工具箱將Simulink模型自動生成優化的、可移植的和用戶定制的C代碼。按照這種方法生成一個RTW通用實時目標環境的應用程序。RTW提供了MAT文件的數據記錄功能,可以將程序運行每個時間步長處的系統輸入輸出、狀態和仿真時間數據存儲在一個MAT格式文件中[8]。程序生成并運行結束之后得到的跟蹤誤差如圖7(b)所示,裝載該文件并與原始仿真模型的輸入輸出結果進行比較,從而可進行生成代碼和程序的校驗。

圖7 原始模型與RTW生成程序運行得到的控制誤差

原始仿真模型生成的方位跟蹤誤差數據為errora,RTW生成程序運行后得到的方位跟蹤誤差數據記錄為rt_errora,比較可得兩者變化規律一致,最大誤差相差很小,max(abs(rt_errora(:,2)-errora(:,2))= 1.7764×10-14。

4 結 論

采用xPC目標工具設計開發了某光電對抗裝備跟蹤伺服系統的半實物實時仿真平臺,完成了平臺軟硬件及控制算法的設計與仿真測試,通過調試控制參數,在線監測控制性能,從而實現跟蹤伺服系統的閉環實時仿真。該半實物實時仿真環境也可作為光電對抗裝備跟蹤伺服系統性能的通用實時仿真分析平臺,進行快速控制原型化、控制性能的半實物仿真測試以及裝備操作手的模擬訓練等。