（控制理论与控制工程专业论文）电动飞行仿真转台嵌入式控制技术研究.pdf

箍京蘸奎航天大学矮学位论文 摘要 飞堡堕基整鱼是航空航天领域进行半实物仿真的关键设备，其置信度关系到仿真 鹣傥劣程度。因魏，对转台裙效豹控镧是保证虢窆、靛天登号产晶和武器系统精度彀 性能的基础，也是半实物仿真取得成功的重疆因素。计算机技术和芯片技术的飞速发 震鬟壤褥转囊数控剿囱数字晓方囱遥送。 本论文从转台基本模型出发，研究了转台模型的经典控制，探讨了转台的一般擦 制缎律，并从理论粒数字傍囊方蘑视步论诞了模糊毒孛经网终控制对转台控铡的可 亍 性。在实现方面，论文着重于讲述一种新的转台控制器设计思想：嵌入式方法，并以 d 3 6 0 单轴速率试验台为例讲述了嵌入式在转台控制中的实现。 关镳词：电彳、1 枋真转台佚制嵌入式) ， 电动谤囊转台嵌入裁控剽技零硬究 a b s t r a c t t h ef l i g h ts i m u l a t i o nt a b l ei s t h e i m p o r t a n te q u i p m e n t i nt h er e a l t i m e h a r d w a r e - i n - l o o p s i m u l a t i o no fan e w f l i g h tc o n t r o ls y s t e m s t o d ot h es i m u l a t i o n s u c c e s s f u l l y ，h a v i n g ah i g h - p e r f o r m a n c et a b l ei so n eo ft h em o s t n e c e s s a r yf a c t o r s s ow em u s t a d o p t a d v a n c e dc o n t r o lu r d t sa n d c o m p l e x c o n t r o l s t r a t e g i e s t o s a t i s f y t h ed e m a n d so ft h e a p p l i c a t i o n s f u r t h e r m o r e ，w i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h e c o m p u t e r a n di ct e c h n o l o g y , t h e d i g i t a ld e s i g n b e c o m e st h e p o p u l a r m e a n si nt h e c o n t r o l s y s t e m t h i st h e s i si ss t a r t e dw i t ht h em o d e l i n go ft h et a b l e , a n da s s o c i a t e dw i t hs o m e u s u a lc o n t r o la l g o r i t h m se m p l o y e di nt h et a b l e sb yt h ed i g i t a ls i m u l a t i o n i ta l s o r e f e r st ot h em o d e r nc o n t r o ls t r a t e g yt h a ti sc a l l e df n n ct op r o v et h ec o n t r o l p e r f o r m a n c e t os p e c i f yt h ea p p l i c a t i o n , t h e t h e s i st a k e sd 3 6 0t a b l ea sa n e x a m p l e o ft h ee m b e d d e dc o n t r o l s y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r i c d r i v e n , s i m u l a t i o n , a u t o m a t i cc o n t r o l ，e m b e d d e d 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 仿真转台 第一章绪论 仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基 础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行 试验研究的一门综合性技术。它综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒 体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。在应用方面，仿真 技术不限于产品或系统生产集成后的性能测试试验，而且已扩大为可应用于产品型号 研制的全过程，包括方案论证、战术技术指标论证、设计分析、生产制造、试验、维 护、训练等各个阶段，并可应用于由多个子系统综合构成的复杂系统。 关于仿真系统的分类，从不同的角度可以有不同的分类名称。按被仿真对象的性 质划分，可分为连续系统仿真、离散事件系统仿真和混合系统仿真；按仿真系统的结 构和实现手段不同可分为数学仿真和硬件在回路仿真( 半实物仿真) 、人在回路仿真 和软件在回路仿真；按仿真应用可分为训练仿真和工程仿真；根据虚实结合的程序可 分为构造仿真、虚拟仿真和实况仿真等。 航空仿真是基于物理效应模型和采用按飞行器运动学、空气动力学等有关原理建 立的数学模型进行模拟试验与分析的研究工作。航空仿真是系统仿真技术与航空工程 相结合的产物，是现代仿真技术的一个重要分支。航空仿真通常有两种方法：数学仿 真和实物仿真。前者多用于方案论证和系统设计计算阶段；后者是在实验室环境下创 造一定的条件，复现出飞行器在空间运动的环境和状态，然后将实际控制系统联起进 行试验。 飞行仿真转台是航空仿真中必不可少的物理效应设备，它的精度直接决定了航空 仿真的置信度，具有良好静态和动态特性的仿真转台是保证飞行器控制和制导系统含 实物仿真取得高置信度的关键。从作用上来讲，它是一种姿态运动转换装置，将由仿 真计算机来的代表飞行器运动参数的电量或数字量转变成能被姿态陀螺、角速度陀螺 和角加速度陀螺等传感器所感受的姿态角、角速度和角加速度。根据激励所载的传感 器的不同，飞行仿真转台可以分为位置转台、速率转台、线加速度转台等。它们既可 用于传感器的标定也可用于接入回路进行半实物仿真。 飞行仿真转台是飞行器控制系统和制导系统研制中的关键设备，一个国家的转台 研制水平代表着这个国家的飞行器控制和制导技术的水平。我国一直把这一关键设备 的研制工作放在航空工作的首位。自6 0 年代研制出第一台三轴液压飞行仿真转台以 来，转台的研制工作处于良好的发展态势中。随着数字控制技术的发展，转台控制系 统向着数字化方向发展。特别是九十年代以来，众多的高校及科研单位纷纷加入转台 的研制工作，如南航、哈工大、3 0 3 所、6 3 4 所、6 3 4 5 所、8 0 3 所等。南京航空航天 电动飞行仿真转台嵌入式控制技术研究 大学仿真与控制实验室一直致力于仿真转台的研制工作，以适应不同的飞行仿真需 要，在转台及其数字控制器设计方面居于国内领先地位，研制转台及其控制系统已有 数年，并成功用于多个型号的无人机含实物仿真实验中，为国防建设画上了浓重的一 笔。二十一世纪是数字化的时代，大量嵌入式数字控制器的运用给转台的研制工作提 出了更高的要求，采用高级控制策略的数字控制也已成为追切的需求。因此，本论文 选择这个方向作为研究的重点，对数字控制器和高级控制策略在实际工程中的运用提 出一些方法，相信对转台的进一步研究有参考价值。 1 2 电动仿真转台的控制 电动仿真转台是典型的电动伺服系统。伺服控制系统能控制被控对象的某种状 态，使其能自动、连续、精确地复现输入信号的变化规律，一般为闭环控制系统。就 信息在系统中传递所必经的部分来看，有检测装置，放大装置和执行部件以及信号转 换线路和补偿装置等部件，它们通过一定的控制规律使各部件之间有效地配合以使系 统具有良好的工作品质，并实现对系统的输入信号和输出信号的检测。此外，以上各 部分都离不开相应的能源设备、相应的保护装置、控制设备和其它辅助设备。其般 原理图如图1 1 所示。 信号输入i 信号转 叫换电路 控制器 ( 控制规律 能源设备、保护装置 放大装置 ( 功率放大器) 执行部件 ( 伺服电机) 补偿装置 ( 电路实现) 测角装置 ( 各种传感器) 图1 1转台伺服系统一般原理图 控制对蒙 ( 转台) 转台控制一般有如f 几个特点： ( 1 ) 采用高精度的模拟控制器件构成转台伺服装置的基本控制回路，完成转台伺服 装置的速度闭环控制； ( 2 ) 在转台的位置环采用微机数字控制技术，由数字式测角元件与数字计算机构成 转台位置控制回路，并由微机实现复杂的补偿控制规律和基于现代控制理论的高级控 制算法； ( 3 ) 装备有数字式监控装置，能对转台的运行状态、工作方式实现实时控制，对转 穗哀航空靛天丈举鞭士学攮论文 静的掇鞭状态及蕊功率鞭魂放大装嚣避行惫麓鼗控衽绦妒，确保转台酾安全。 1 其功能是在指定的频率附近产生相位超前角，提高系统的相角裕量。超前网络对 频率在1 a t 和1 t 之间的输入信号有明显的微分作用。在该频率范围内，输出信号 相角比输入信号相角超前。a 值越大，超前网络的微分效应越强。超前网络使得增益 交接频率增大，从而增大了系统的带宽。但是a 值越大，容易引进噪声。因此为了保 持较高的信噪比，a 值不应过大。如果希望校正后的系统截止角频率为，并在附 近相对于原系统提供曰度的超前角，则： l1 + s i n 目 = 一a = 一 , a t 1 一s i n 臼 。 滞后校正的校正装置传递函数为： g ( s ) = 瓦t s i + l ，胗1 其功能是只降低中频段和高频段的开环增益而不影响低频段。它使得频率在1 t 和1 a t 之间的输出信号有明显的积分作用。滞后网络对低频有用信号不产生衰减， 但对高频噪声信号有削弱作用( 相当于一个滤波器) 。滞后网络基本不改变系统的动 态性能，但是增大了系统开环增益。如果希望校正后的系统截止频率为，并在甜附 近原系统的增益为l ，则： 当= c 去一去， 三= 2 0 g 在单独使用超前校正或滞后校正无法实现控制目标的情况下采用滞后超前校正。 其功能是增加相位稳定裕量，改善系统动态性能的同时降低中频段增益，改善系统的 静态性能。在应用其进行闭环校正时一般没有精确的参数整定程序可以遵循，需要运 用经验进行反复试探比较才能得到实际系统的最佳设计结果。 下面以2 0 0 1 年本人参与研发的w h 2 1 f 转台外轴所使用的j 5 6 0 l y x 0 8 e 型直流力矩 电机为例对上节中所建立的电机模型速度环进行校正。之所以选择这一型号的电机作 为分析对象，是因为很多大型的转台其指标要求比较高，特别是外轴，尤其要求选择 出力大的伺服电机，其重量和转动惯量比较大，但同时也会制约加速度的提高，其非 线性因素也比较多，为控制增加了难度。以这电机作为对象对分析控制方法比较有 南京航空航天大学硕士学位论文 代表性。 根据以上公式可算得：足 = 1 4 4 5 ，k 。= 1 7 7 4 ，r 。= o 4 5 ，取电枢电感为o 0 5 ， 电枢转动惯量为8 ，则，电机传递函数可表示为：g ( s ) = i 而萨了1 五7 7 i 4 西面。下 文的分析均以这个传递函数为模型。在未加入任何校正环节只是简单的闭环控制系统 时，其开环波特图，阶跃响应以及闭环频响图如图2 5 所示。 从系统校正前的阶跃响应可以看到，调节时间约为7 5 0 毫秒，超调量为5 4 ，这 远远不能满足作为内环的响应品质。因此对其需加适当的补偿环节。 b o d e d i a g r a m s f f o m ：u f 4 、 - 5 0 一 ： = _ 一1 0 0 叠 。 1 5 0 、 2 0 0 10 0 s t e pr e s p o n s e f r o m + u f l ) m 0 1 5 弓o 詈i0 1 ，、 。 主2f l ，、， 一 00 5 f 、， 0 005 1 152 0 2 01 5 0 1 0 0 5 0 r i m e ( s e c ) 02 04 06 0 f r e q u e n c y ( r a d s e c ) 图2 5 未加校正的特性曲线 加入p i d 控制环节和超前滞后网络后的系统框图如图2 6 所示： 图2 7 为加入校正后的开环波特图、阶跃响应以及闭环频响图。从图中可以看出， 校正后的系统频带非常宽，= 3 0 0 t a d s ，y = 7 6 。，h 的分贝值为负。系统稳定程 度较好。阶跃响应超调量为7 ，调节时间为2 5 毫秒。 o o 一p)刁三io西至xop)mm l i 乱 电动飞褥仿真转台嵌入式控测技术硪究 图2 6d n 2 , 校正环节鼷豹系统框图 b o d ed i a g r a m s f r o m u 1 6 0 4 。、，、 鼍 。 、 “： 一。5 0 j 弘一”i 一、 5 。 、 。j o 。僭 f r e q u e n c y r a d s e c ) 3 羔 e 15 s t e pr e s p o n s e f r o mu ( 1 ) 一1 7 、 p - 05f 0 t 000 5 l i m e ( s e c ) ； ： | ： t 。5 r j 。”7 ： f 7 2 1 卜：j z t - , - ，i 、l q 。 | 。 ： 09 5 l 。，。二。：+ 一 02 0 4 06 0 图2 ，。加入校正慝的特性曲线 2 2 电动仿真转台控错i 规律研究 奄动仿寨转台其实震力电动位置，i 塞发镝鼹拖动霞路，采舔线性控镧理论宠成冀补 偿和控截是常用熬技术方案，为傻转台在静态定穰精度和动态赡瘫速疫上均达到较高 蕊应蹋技术搀标，对飞行仿真转套的控制方案及控割规律职究是十分必要戆。本节糁 讨论在工程实际中常用的多阉路闻环控铡方察。 9 3 on善lu礴博鼍x69p)博#也 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 1 带串联补偿和电流负反馈的速度控制回路 在实际转台控制系统设计中，速度伺服方式是常用的工作方式。在该工作方式下， 输入信号为模拟电压或者数字量，输出为转台的速率。其主要特点是工作频带较宽， 可以适应具有较高频率特性要求的场合，不足是电动机的伺服电流回路存在模拟电压 的漂移，造成转台定位精度难以保证。 因此速度控制回路的设计思想是应在兼顾稳定性的前提下尽量提高快速性，这就 决定了控制系统应有足够宽的频带，而宽频带往往会引起高频干扰。因此，采用频带 拓宽技术，选择适当的频带宽度成为速度环设计的关键问题。同时应兼顾死区、饱和 等非线性因素的影响，引入适当的补偿网络，使得速度回路的时间常数大大减小，增 加低频段的增益，并注意抑制高频段的谐振峰值。 在电动仿真转台应用中，对速度伺服方式性能品质的要求是在一定的频率范围 内，转台的输出速率信号与给定电压信号的相移和幅值误差不大于某个值，同时转台 控制系统又具有较好的阻尼，即在阶跃响应下其超调量不大于某个值。图28 为转台 速度控制回路示意图。 图2 8 转台速度控制回路示意图 在转台速度回路中采用了电流反馈作为调节高频特性的手段。从理论上分析，通 常用正弦输入信号作为激励来讨论系统的频率特性。速度伺服控制回路当激励信号为 较高频率时，由于电机电枢的感性特性，其感抗会随着激励信号频率的增加而增大， 此时如果施加在电机电枢上的电压不能随之增加，则会引起电机的输出扭矩减小，从 而整个系统的频率响应降低。推导过程如下： 设输出转角的正弦信号为：0 ：as i n2 n 咖，则速度为：毋= a + 2 n f c o s 2 新，加速度 为：0 = - a + ( 2 矿) 2s i n e n 。可见，一个具有好的频率特性的速度控制系统，随着频 率增大，速度基本应与频率成正比增大，加速度基本上应与频率的平方成正比增大。 但在有电机的回路中，频率增大会引起电动机的电感增大，加在电动机电枢两端的电 压大d 、不变，则电枢电流减小，从而引起电动机转矩也减小，由前节电机模型推导公 式可见，加速度随之减小。因此，随着频率的增加，势必引起响应效果变差。 电动e 行仿真转台嵌入式控制技术研究 将电机伺服控制电流取样后引入控制回路，再给予p i d 调节，如图2 9 所示，将 因为频率的增加而损失的电流通过反馈回路进行补偿，使得电流不因为频率的原因而 减小，而是与输入有良好的跟随特性。这样，伺服电机能按控制规律获得适当的驱动 电流，从而增大控制回路的频带宽度，改善其频率响应。 下面给出串联补偿环节、电流反馈控制对系统正弦响应影响的数学仿真。如图 2 1 0 、图2 1 1 、图2 1 2 所示。 1 h z 2 h z 15厂_ f 【 1 m - ：a 一一一- 一，、- - - - - i ，、；：八? 、i 0 5 叫 - i 一 ? ： t j i i i j | o fj!l j ： j“ o5 - - - 一、一- 一- 一- 一- - j i - 纠 、i ? j 1 ； 。o ：、，一 - 一1 j - 1 5 一：_ _ 4竺 。! j 一 j f 。一_ 慷? 霹囊。蠢蠢，1 峨：f ! ! ，_ ：0f _ _ j ll ：f f l l ；? jf 。 ”卜ij 一j l ；ij ，ji f ! 、 f 一1l 。矿一“ j“，1 ：j! 图2 1 0 未加补偿和电流反馈的速度环正弦响应 2 h z 万一了广百r - | 。川f - i ， ： ：一!苜 ；，f：一 一吾 一 ， 一 川直。 “ f o m l ljlf”o m m r 湖_ji 一 p， 一 一 一 、， 一 _- - 日 一，一。 l _ _ l i i p f l!l一) 2 ， o d 4 一、i1孵 ， fl一2_=专!i，订 - 一_ l ，1 i i一 jf一”监 o j 南京航空堕茎查堂堡主堂垡笙茎一 = 一 1 一一一一 麟粼 i - ： l “5 ：古一一一r s 图2 1 1 加串联补偿未加电流反馈的速度环正弦响应 15 一_ _ - 一一 ，b ：允一一j 、 “一 ，7 j 、i 。? 。r 卜0 。j t j j 。 2 h z 1 5 一一一 二、5 j 多i ? “0 0 、 。 ；叶一，- 一， i 1 o 囊。 轮瓣j 、i i 焱辫越。 一型意黑黑j 簇裂鬈嚣飘黧鬻0 裟会耋 黧要尝嚣燃豢冀望鬻嚣黧淼赫赫荔 时响应跟随得比较好。在实际系统中，虽然还硐县他凼系影”刚9 帅。“ 酱臣趟艘g迅素沓哥票蹬哒避罟忙轻口n函 碌奄长辎器靼懈强姐磐慑撂e口蒋哥 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 2 位置控制回路补偿方案研究 仿真转台最常用的工作方式是位置伺服控制方式。通过给定转台的转角指令( 一 般是数字给定) ，使其输出跟随输入指令，并且满足一定的指标要求。在这种工作 方式下，如果给定是锯齿波信号，则能控制速率转台的运行，这在后面一章的嵌入 式转台控制器设计中有详细运用。 在实际工程运用中，加入位置闭环不仅能使转台位置能按指令方式跟随，而且 外环的数字控制能有效补偿模拟闭环在低速时的不精确，也能保证转台不会因控制 电路的模拟器件电位漂移而发生运动，保证了转台工作的安全性。 转台内环调整完后进行位置闭环，此时发现转台幅值有大的衰减，频率响应也 有很大的延迟，如图2 1 3 所示为在i h z 时的闭环响应。为提高转台的工作频率范 围，需对转台的位置控制规律精心设计和调整。 1 o 5 o m 5 j o 图2 1 3 - 0 5。l 图2 ，1 4 采用超前校正控制的位置伺服系统结构框图如图2 1 5 所示 整个控制系统包括三个控制回路，电流环、速度环和位置环控制回路。通过闭 环校正网络设定的零极点来对消和改变转台速度伺服回路的零极点，并串联超前补 偿网络以使给定信号在进入转台位置伺服回路前先由超前补偿网络将信号的相位 和幅值改变，以补偿转台位置伺服回路的固有特性。校正效果可通过转台位蚤回路 的频响和阶跃响应来判别。图2 1 4 是在调整参数之后在1 h z 输入信号下的响应跟 随情况。本仿真中串联超前补偿环节参数为： k = o 9 8 f 。= o 0 0 3 87 ：= 2 9 1 0 4 酱匿犯冬迅意沓甜2 n 匝 罨辍蜷口 仨蜒沓船越制 恹喜*辎器租佰墨啦蜱球埋姆p需掣 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 3 转台控制中几个问题的讨论 1 、变参数前馈控制方法 由上节的分析可知，伺服位置控制回路采用闭环校正串联超前环节可以有效改 善控制品质，但是同一组参数不能满足各个频率点的响应要求。当高频时因为超前 补偿不够，响应还是会滞后，如图2 1 6 所示为根据上节中1 h z 时的参数做的5 h z 的仿真。 5 h z w i t ht h ed a t ao f1 h z 0 图2 】6 根据上节中1 h z 时的参数做的5 h z 的仿真 在实际工程中，无论是内环速度闭环还是外环位置闭环用同一组参数实现某一 频带各个频率点的响应都满足精度要求是比较困难的。通常只能将系统设计成中间 状态的最佳，适当兼顾两头。为了能使系统跟随性能不易受频率变化的影响，在串 联前馈之前设计鉴频电路完成对激励信号的鉴频，根据鉴别出来的频率选择不同的 参数对闭环进行补偿，这样能确保转台在一定的频率范围内能完全跟踪激励信号。 鉴频既可以直接在控制软件中实现，也可由单片机系统实现。工作原理大致相 同。由单片机实现时首先将给定的模拟信号由整形电路整形成方波，该方波作为单 片机的外部中断信号，由单片机根据两次中断的时间间隔计算出给定信号的频率， 再根据这一频率查表出补偿网络的参数设餐。最后由d a 输出给位置或速度环。原 理图如图2 1 7 所示。 在单片机的e e p r o m 中存放一张各相应频率下的补偿参数表，分别记载了对应 频率下所需的k 、f 、t 值。前馈补偿器由运算放大器、r c 网络以及数模转换器 组成。在模数转换器的各个入口分别连接电阻组和电容组。单片机的外部中断和整 形后的输入指令相连，并根据相邻两个脉冲的时间差求得相应的信号频率。再查表， 得到相应的电容电阻值，通过连在单片机的数据总线选通模数转换器的控制端。增 侣 ， o 舭 4 电动飞行仿真转台嵌入式控制技术研究 益k 是通过数模转换器d a c 0 8 3 2 实现的，信号增益由其数据线上的数据决定。 由软件实现时直接将正弦信号通过a d 采进，在程序中判定峰峰值之间的时问 差，根据算得的频率查补偿参数表，再对控制算法进行改进。 正弦波 输入 图2 1 7 鉴频原理图 输出至 位置或 速度环 无论是用软件方法还是硬件方法实现，这种鉴频设计的实质是实现被动式的自 适应前馈补偿控制。但是这样的设计存在以下问题：( 1 ) 为确定在各个频率点及其 附近的补偿参数，需在较宽的频率范围内进行单点频率补偿调整，工作量较大；( 2 ) 对输入信号鉴频存在延时，从而不能实时跟踪指令信号；( 3 ) 在进行补偿网络参数 切换时因为补偿网络中的容性元件存在瞬态过程使补偿网络不能立即达到稳定状 态，因此可能存在一定的扰动：( 4 ) 基于线性补偿控制的串联校正不能改善转台低 速特性。因此采用模型参考自适应控制规律或者模糊神经网络控制等智能控制技术 来设计转台的控制规律是现代控制理论在转台控制应用中的发展趋势和方向。 2 、低速控制研究 以上的讨论都没有涉及摩擦力矩对转台伺服系统低速性能的影响。一般认为， 由于摩擦速度曲线的负斜率特性，可能使系统在低速运动中产生低速爬行现象。而 大量飞行自动控制系统的实物仿真实验证明，低速平稳性的好坏，直接关系着飞行 控制系统和制导控制系统的仿真置信度。如果飞行仿真转台的低速平稳性不好，转 动角速度发生周期性的突跳，则安装在转台上的自动控制系统的角速度敏感元件很 容易感受到这种速度的脉动，则自动控制系统产生错误信号，引起飞行控制系统额 外的极限环现象，产生严重的仿真误差，使得实验结果分析复杂化，严重时会使得 整个仿真实验无法进行。下文就这一现象的产生、评估原则以及克服手段进行探讨。 低速爬行现象的产生： 下面从控制理论角度说明低速爬行或者跳动现象的产生。 通常，伺服系统中的摩擦力矩表示为： 南京航空航天大学硕士学位论文 m = m 。s i g n o 其中，。咖毋：1分o 。 l 一1 0 0 在角速度较低的情况下，摩擦力矩的特性比较复杂。如图2 1 8 所示。 j m c苄f r _ abc j q c m c 1 9 图2 1 8 摩擦力矩特性 由上图可以看出，在0 0 a 时，摩擦特性的斜率为b 0 ，越接近0 ，b 的绝对 值越大；当= b 时，b = o ；b o 0 。可见，这段速度摩擦力矩有粘性摩擦 ( 速度摩擦) 的性质。 而根据第二节中直流电动机数学模型推导，忽略电枢电感时，传递函数为： 堡 型：生：土 u ( s ) , i s + 盟+ 6 t s + l 舯。志驴表 其中，兰 是电动机的机械特性斜率的倒数，b 是粘性摩擦系数。在o 2 a ，电机又变成了稳定的惯性环节。由于电动机是系统的执行元件，因此， 系统在低速运行时，将会因执行电动机的不稳定而使整个系统不稳定，系统就出现 低速不平滑。 在图2 4 的基础上加上一分段线性化的摩擦力矩模型。输入输出分别为速度和 力矩值，摩擦力矩加在电机转矩上起阻力矩作用，这样整个系统呈现非线性。根据 仿真可以看到这样的系统在低速时会出现振荡过程。如图2 1 9 所示。 皇垫：! 堑堕塞堑鱼燮垒茎丝型垫查型! 堑 3 2 5 2 15 1 o5 0 图2 1 9 数字控制系统低速特性的评估： 假设系统的稳态精度为芦，要求最低平稳速度为。m ，则有下面的判定条件： ( 1 ) 给定一斜波信号，斜率为。m ，使系统按。，运动并记录其运动轨 迹曲线，画两条平行线：+ 国。- r 和一+ g o 。t 作稳态精度极限，若运动轨 迹曲线几乎全部( 9 5 ) 被包络在平行线之i b j ，则认为系统在精度a p 内满足最低 平稳速度的要求。 上述判定条件有弊端。我们知道通常因为数字控制的特点，系统的最低平稳速 度其实并不平稳，而是一个台阶一个台阶地跳跃，台阶的高度等于码盘的分辨率， 假设用的码盘是1 8 0 0 0 线的精度，经过四倍频后每转一圈产生7 2 0 0 0 个脉冲，即o0 0 5 度脉冲，也就是说，码盘的分辨率是1 8 角秒脉冲。用此判定定理可能造成一种f 奇 况就是最低角速度无限低。如：假设系统稳态无差，并假设在0 时刻给定为0 0 0 0 ， 则此时，输出位置值也为0 。0 0 ”；2 4 小时后假设给定1 8 ：输出位置值稳定在0 0 0 18 7 则平均角速度可以算得为l o “数量级。因为系统的稳态精度限太宽，因此这一曲线 也未超出系统的稳态精度限。所以单纯用固定的稳态精度限来衡量不同的低速特性 是不全面的。 ( 2 ) 用两条平行线芦。十国。f 吐卢。+ 国。f 去包络低速曲线，若 曲线几乎全部( 9 5 ) 落在两平行线之间，则称系统最低平稳速度达到。其中， 卢。= 0 9 。x 1 秒。 这样，把稳态精度和最低角速度联系起来。上述的例子中曲线的每个台阶高度 显然不满足更小的稳态精度值。因此更适用于不同系统之间的比较。 减小低速爬行的方法： 由分析可知，系统低速不平滑主要是由于传动部分存在干摩擦而引起的。在数 字控制的系统中，低速特性还跟指令的分辨率有关。在设计伺服系统时，应使得机 械传动部分的干摩擦力矩限制到最小限度、减小静、动摩擦力矩之差。使用速度负 反馈可以提高机械特性的硬度，扩大系统平稳跟踪的速度范围。 南京航空航天火学硕士学位论文 前节讨论过，为了能使系统阶跃响应的过渡过程是非周期的过渡过程，不是周 期性的振荡，则需要加大中频段2 0 d b d e c 的长度。对于位置系统来说，由于有积分 环节存在，其开环频率特性中的起始段就是一2 0 d b d e c ，如果把电动机数学模型简化 为一个惯性环节，则第一个转折频率是1 乙，那么扩大2 0 d b d e c 段长度等于将瓦增 大。为了不和增加机械特性硬度有矛盾，只有增大转动惯量j 。这样系统运动时具 有的动能就大，干摩擦力矩的较小变化对系统的速度几乎没有影响，从而改善了低 速平稳性。 j 的增大固然对改善低速性能有益，但是却对系统的快速响应不利，不能在要 求制动时将运动部分的动能很快的吸收。这样，系统可能会产生大幅度的缓慢衰减 振荡，甚至会自振荡。因此，更多的时候可以尝试用加速度负反馈来提高低速的平 稳性。如图2 2 0 所示为加入加速度反馈的结构图，其传递函数为： k k j u ( s ) 1 + ( 瓦，+ k k d a ) s 。加入了加速度反馈相当于加大了t m ，而且也不会使系统 产生自振荡。另外，加速度反馈回路由于包围了摩擦扰动作用点，所以它除了能提 高运动平稳性之外，还能有效抑制因外干扰而引起的扰动。 图2 2 0 加入加速度反馈后的结构图 另外在控制系统中采用p w m 的放大器能实现将静摩擦变为动摩擦，从而减小 静、动摩擦力矩之差。在这里不详细阐述其原理。 电动b 行仿真转台【妖入式控制技术研究 第三章仿真转台嵌入式控制器的实现 3 1 转台控制器设计原理 转台控制系统是实现转台全部动静态性能指标的重要保证，转台控制系统的设 计内容为控制方案设计、控制装置结构设计、控制规律设计和控制参数整定等。控 制方案设计包括控制变量、被控制参数的选取和控制策略制订。对于电动转台，一 般控制变量为控制电压或电枢电流，前者由于功率放大器较为简单，常用于动态性 能要求不高的转台，后者在电机的功率放大器内设有电流闭环控制回路，由其构成 的电动转台控制系统能获得较高的动态性能品质。为提高转台的动态品质，被控参 数除选用转台的位置信号外，还选取转台的速度信号，这种具有电流环、速度环和 位置环的三回路控制是电动转台控制系统常用的控制方案。随着电子技术和计算机 技术的发展，采用电子控制和微机数字控制技术的转台控制装置在飞行仿真转台控 制系统中获得了越来越广泛的应用。电子控制和微机数字控制较高的灵活性和很强 的逻辑控制功能，使得转台控制系统能采用复杂的控制算法和控制逻辑。通过模拟 电路转接数字控制器与转台被控对象间信号的数字模拟混合控制是现阶段转台控 制装置较为成熟的做法。本节针对仿真转台的主要性能指标提出仿真转台的股组 成环节以及各种工作模式。 3 3 1 仿真转台的主要性能指标 飞行仿真转台的技术指标主要根据使用要求来制定。现代飞行仿真转台的技术 指标要求越来越高，最重要的性能指标可以用“高频响、超低速、宽调速、高精度” 来概括。 1 、高频响 飞行仿真转台的动态特性会对整个仿真回路的动态特性产生宜接的影响，为了 减小这种影响，需要拓宽转台频带，使得各个自由度均能在较宽的频带内复现输入 信号。实现高频响的关键是执行元件、控制元件、框架系统和控制系统的设计。飞 行仿真转台伺服系统频率响应特性的确定是以所模拟的飞行器的特性和台体本身 的自然特性为依据的。系统的频带原则上认为愈宽愈好，频带越宽，就可近似认为 伺服系统在相当宽的频带范围内无惯性环节，而具体系统的研制则不易实现宽频 带，系统频带过宽时，伺服系统内外部的高频干扰将会通过，从而使系统的抗于扰 能力减弱，影响了系统的稳定性。因此，应在满足系统技术要求的前提下使频带宽 度保持最小值。 2 、超低速 南京航宅航天大学硕士学位论文 低速性能是三祧飞行仿真转台整 书性能好坏的重要标凇之一。低遮乎稳性的好 坏，直接关系到飞行控制系统靼制导控制系统的仿真置信度。原因如下：如果低速 平稳性不好，即角速度发生周期性的突跳，安装在转台上的飞控系统的角速度敏感 元件很容易感受到这种速度的脉动，对控制系统产生错误信号，引起飞控系统额外 的极限环现象，产生严重的仿真误差，使得实验结果分析复杂化，严重时将会使整 个仿真实验无法进行。伺服系统的低速平稳性主要取决于系统在小信号下工作的菲 线性因素，如闷隙、黪擦、不灵敏区祷，对宅梳驱动而言，主要使保证电视低速力 矩波动要，l 、。 3 、宽湄速 调速范围是最大角速度与最低角速度螅比值。转套系统的动态范溪宽，表明系 统能快速跟踪输入量的变化，对输入量的慢变化亦能缀好的反映。这裁要求既戆游 足最大速腰要求，又熊使低速信号输出平稳。转台系统的动态范围与冀执行元律的 调速范围对应。 4 、高精度 要求静态精度高，以确保仿真试验的静态性能，包括位置精度、重复性、分辨 率等。影响位置精度的主簧因素有位簧环中元件的死区、磁滞、摩擦力矩、偏载力 矩等。萁中位覆反馈元件起主导作用，因此要采用高精度的位管反馈元件。 3 3 2 绩囊转台控懿器一般缝成帮工作模式 通卷，仿真转奁控剑系统灼硬传缌成镪含啦下六个部分，如墅3 1 鼹示。 ( 1 ) 控制计磐机：转台控制系统的数字控制器，实现位箨闭环的数字控剿。霹疆 据系统控制规律进行实时计算、处理、逻辑判断和存继，得出系统正常= e 馋 所必需的指令和参数，然后输出给其它有关设备。 ( 2 ) 信号接i - 7 ：完成控制计算机与转台控制器问数据传输和信息交流。包括a d 转换模块、d a 转换的模块和数字量i o 模块。 ( 3 ) 转台控制器：转台控制系统的模拟控制嚣，实现位臀、速度闭环的模拟控制， 实现转台工作毛跫态沟监控保护功能，并对反馈信号进行调理，对控制信号进 行校正滤波然麓送入功率敖大器中放大。 4 ) 功率放大嚣：转台力矩迮撰壹滚控裂与藏大窀潞。实现对控泰8 信号的功率放 大，竣如足够的功率驱碘找嚣电枧，潢足技行奄概豹电器秘电浚要求。 ( 5 ) 测爨元件：飞行控制系统的角运动敏感元传，一般被称为传感器。耀柬捡测 转螽的位置、速度信号转变为棚应的脉冲信号和电压信号。 ( 6 ) 外设：操作、显示、记录系统工作，转台的专用控制设镊和键盘、照示器等 通用设备。它用来作为人一机对话的交互界面，实现控制系统的在线监测、 控桶方案和参数的在线修改整定。 电动e 行仿真转台嵌入式控制技术研究 模出 一功率放大器卜臣 l 控制计算机l ：二 信 并出 禺 号 接 转台控制器 口 受 携入 1 并入 图3 1 转台一般控制系统结构图 仿真转台的控制系统是一个典型的伺服系统，具有位置反馈、速度反馈和电流 反馈控制的三环数字伺服控制系统。位置环用控制微机控制，位置反馈由脉冲编码 器产生，经过整形，送往数字控制器。速度环可以是模拟控制，位置控制器的输出 经过d a 转换，作为速度给定，速度反馈由测速机产生。电流环则以速度坏的输出 为给定，取电流信号反馈，信号误差经伺服放大器放大，驱动电动机，带动转台运 动。图3 2 为单轴的控制系统原理图。 输入 图3 2 转台控制系统原理框图 一般仿真转台具有以下三种工作模式： ( 1 ) 标准函数模式 标准函数模式是指由转台控制微机内部产生规定幅值、频率和偏移量的标准正 弦波、三角波或方波指令信号，并跟据所选的闭环方式( 位置速度) 控制转台跟随 指令信号运转。该工作模式可用于位置传感器或速率传感器的标定与检测。 ( 2 ) 速率模式 速率方式是指由转台控制微机内部发生使转台恒速率运转的控制信号，保证转 南京航空航天大学硕士学位论文 台以高精度恒速运转。该工作模式可用于速率传感器的标定和检测。速率模式的给 定只有数字手动给定。 ( 3 ) 仿真模式 仿真模式是指转台的运动参数来自外部信号源，包含位置伺服和速度伺服两种 工作模式。每种工作模式又含有手动自动，模拟数字等工作方式。外部信号源可 以是仿真计算机的数字或模拟给定，也可以是转台控制微机的数字或模拟给定。控 制微机的数字给定由手动从键盘输入指令，模拟给定是控制微机给定指令经d a 输 出。位置模式是指给定信号是位置信号，速度模式是指给定信号是速度信号。该工 作模式可实现飞行控制系统含实物在内的半实物仿真，具有较高的动态跟踪精度与 静态定位精度的特点。 3 2 转台控制中的嵌入式技术 3 2 1 电动转台中的数字控制方法 采用微机数字控制是现代飞行仿真转台控制系统的基本特征。由于转台采用多 回路控制技术，一套计算机系统可以同时为多个控制回路服务，再加上对有较高位 置控制精度要求的转台来说，尤其当定位精度要求较高时，仅采用模拟校正控制并 不能满足要求。所以，在位置环通常采用微机数字控制技术，即利用微机软件的灵 活性、方便的参数整定性，可以容易的实现从简单到复杂的各种控制规律。而随着 芯片技术的发展，还可实现许多现代控制理论中的复杂控制算法。 夔主坷服苤统一般工作原理 如图3 3 所示为数字伺服控制系统工作的一般原理图。丌关i 之前的p 为束自 上级计算机的数字伺服系统的输入角。控制计算机末端为其d a 接口输出的连续模 拟信号通过p w m 放大器控制电机电枢。 每个采样周期一开始，控制计算机通过其一个输入接口采样来自上级计算机的 给定角度值0 ，这相当于合上采样开关i 。然后控制计算机通过其另一个输入接口 采样来自轴角编码器的0 。，这相当于合上采样开关i i ( 合开关i 和i i 的顺序可以根 据需要改变) 。控制计算机根据本采样周期采n n 0 , ( n ) 和目，( ”) 、上一个采样周期采 到的0 。( 一1 ) 和p 。 一1 ) 以及上上一个采样周期采到的口，( h 一2 ) 和0 ，( n 一2 ) 、，把 这些数据作为计算本采样周期的控制变量的原始数据，去执行固化了的控制算法。 最后，将这一时刻算得的控制变量值通过d a 输出，相当于合上开关i i i 。从控制计 算机角度看，d a 转换接口是一个输出接口；但是从信号转换角度看，它包含一个 零阶保持器和一个d a 转换器。它的连续模拟信号输出到p w m 放大器的输入端， 等待下一个采样周期的来到。 电动飞行仿真转台嵌入式控制技术研究 控制计算机及其接口 图3 3 数字伺服系统原理图 图3 4 所示为采样周期和输出之间的关系。从图中看出，不同的采样周期，执 行控制算法程序所走的路径往往不尽相同。因此，由采样到输出控制变量值这段过 程的时间也不同。而由自动控制原理可知，系统的稳定性以及其稳定性的好坏和采 样周期t o 有直接的关系。在系统控制增益不变的前提下，瓦越大，系统稳定性越差。 因此往往需要将采样时间尽量取短。在微机控制中，如果在中断中作控制算法，则 通常应尽量减小中断时间。 采到 只m i ) 和 输出 o o ( n n c ( n 。1 ) 采剑 p ( n ) 和 吼( ) 输出 c ( n ) j l 上j 一- 图3 4 采样和输出的时刻关系 数主! p 簋洼 上文中讲述采样周期和稳定性有必然的联系，而采样周期的选取主要取决于在 采样周期内做的主要事项。控制规律的演算是主要任务，因此决定采样周期的一个 关键因素是控制算法的选取。在微机控制中，可用阶差分法使p i d 算法数字化， 将描述连续时间p i d 算法的微分方程变为描述离散时间p i d 算法的差分方程。基本 p i d 离散算法如下一组公式所示。 “r ( k ) = k 旷e ( k ) 南京航空航天大学硕士学位论文 叭耻姒) + 等似 “。( j ) = 丁k d t o 阶) 一p ( 七一1 ) 】 “( 七) = “p ( 七) + “，( j | ) 十d ( k ) 其中公式中的t 就是采样间隔。 另外，还有一些改进的数字p i d 算法，如带有死区的? 1 1 9 控制、积分分离控制 以及变增益控制算法等适用于不同的场合。如当系统输出和给定较接近时，通常会 采用小角度偏差加积分的算法，这样当系统在启动、停止等给定值有突变的时候， 积分项在短时间大偏差情况下不会起作用，这样会防止出现大的超调和振荡。 3 2 2 以高性能处理器为核心的嵌入式控制器 1 、高性能单片机系统 在嵌入式系统低端的单片机领域，从8 位单片机诞生至今，将近3 0 年时间在单 片机家族中，8 0 c 5 1 系列一直扮演着独特的角色。与从8 位机迅速向t 6 位机、3 2 位、6 4 位过度的通用计算机相比，8 位单片机从2 0 世纪7 0 年代初诞生至今，虽经 历从单片微型计算机到微控制器、m c u 和s o c 的变迁，8 位机始终是嵌入式低端 应用的主要机型，而且在未来相当长的时间里，仍会保持这个势头。这是因为嵌入 式系统和通用计算机系统有着完全不同的应用特性，从而走向完全不同的技术发展 道路。 嵌入式系统嵌入到对象体系中，并在对象环境下运行。与对象领域相关的操作 是对外界物理参数进行采集、处理，对外界对象实现控制，并与操作者进行人机交 互等。而对象领域中的物理参数的采集与处理、外部对象的控制以及人机交互所要 求的响应速度有限，不会随时间变化。在8 位单片机能基本满足其响应速度要求后， 数据宽度不成为技术发展的主要矛盾。 在控制系统设计中，实时性是要考虑的关键问题。而处理器的指令处理速度直 接影响实时性能。因此用在控制中的低端微处理器在不扩展数据总线的情况下，提 高运行速度成了重中之重。而c i s c 结构的c 8 0 5 l f 采用c i p 一8 0 5 1 结构，使单周期 指令速度提高到原来8 0 5 1 的1 2 倍。 8 位单片机虽然“古老”，但是随着半