回路硬件仿真技术在直升机控制系统中的应用.docVIP

回路硬件仿真技术在直升机控制系统中的应用软、硬件的并行开发方法可以设计进程，但在系统整合时常常问题，而硬件回路仿真能解决问题，采用该技术可以在开发周期初嵌入式软件仿真。本文以HIL技术在实验性直升机系统用嵌入式控制软件中的应用为例该技术的应用特点和方法。 软、硬件的并行开发方法可以设计进程，但在系统整合时常常问题，而硬件回路仿真能解决问题，采用该技术可以在开发周期初嵌入式软件仿真。本文以HIL技术在实验性直升机系统用嵌入式控制软件中的应用为例该技术的应用特点和方法。align=RIGHTVSPAE=12HSPAE=12ALT=图1:直升机前视图和侧视图。 设计工程师一直在努力缩短新产品开发周期，而软硬件并行开发比的方法。通常方法需要多个独立的软硬件开发，的工作间独立、并行地。当原型硬件和嵌入式代码的主要后，就可以在系统整合阶段将硬件与软件合并起来并开始测试工作。 在系统整合时经常会严重的问题，有些问题甚至会软件或硬件的重新设计。在问题成堆、成本持续升高或计划拖延太久的情况下，有中断设计项目，有时甚至不取消项目。，人们需要找到的方法来解决问题。 回路硬件(hardare-in-the-lp，HIL)仿真被证明是的解决方法。该技术能在开发周期早期就嵌入式软件的测试。到系统整合阶段开始时，嵌入式软件测试就要比传统方法做得更彻底更。可早地问题，降低决问题的成本。 本文所要的采用了HIL仿真的嵌入式软件开发项目。该项目的是开发和测试实验性“直升机”系统用的嵌入式控制软件。HIL仿真后，人们无需使用除嵌入式器及其I/接口外的任何硬件就能该控制器软件的设计和测试。 随后的系统硬件与运行新软件的嵌入式控制器的连接首次便。在硬件、软件整合阶段唯一要做的额外工作是对控制器参数的少量，这是系统硬件与其仿真模型之间毕竟差异。 直升机系统 本项目需要开发适合Quanser3自由度(3DF)直升机的控制器软件。这是桌面电磁系统，内含由两个独立电子马达控制的3个旋转轴，每个轴驱动器。图1是直升机系统及其运动轴的框图。align=RIGHTVSPAE=12HSPAE=12ALT=图2:直升机控制系统。 假设倾斜轴的倾角接近零度，在对两个马达施加相同的高电压后直升机会垂直向上攀升。对两个马达施加不同的电压会使直升机绕倾斜轴旋转。使直升机向前移动，需要将直升机倾斜到非零角度，然后对两个马达施加的电压来产生向前的推力。 如图2所示，系统采用的控制计算机3个位置编码器输入信号、两个马达电压输出信号，用于模式选择与操纵杆控制的用户输入信号。控制计算机设计的接口卡接收位置编码器输入信号，产生模拟输出电压，并数模转换器(DA)驱动那两个马达。足够大的马达工作电流，DA的输出需要连接到随后的功率放大器放大。 位置编码器会随时监测每个轴的运动，编码器光学原理感知旋转运动并产生数字化的角度位置数值。位置编码器将以每3604096个步距，或0.08789的量化步距分辨率对数值量化。每个编码器的输出信号由两个TTL电平组成，即PhaseA和PhaseB，当对应轴反转时输出信号就两个高低电平之间来回切换。这两个信号之间的相位差可以判断每个轴的运动方向，如图3所示。脉冲频率正比于每个轴的旋转速率。 直升机控制器的性能指标要在内将前进和上升轴移动到任意指定位置，应控制在10秒以内。此外，直升机控制器的软件支持其它操作模式。全套控制器操作模式包括： 关闭模式:align=RIGHTVSPAE=12HSPAE=12ALT=图3:位置编码器输出信号。 控制器软件以关闭模式启动，此时两个马达上的电压为零。一旦系统离开模式，就只能从空(Null)模式该模式。当从空模式关闭模式时，需要控制上升轴缓慢地下降到桌面正上方，然后将马达电压设置为零。 空模式: 当从关闭模式转变到该模式时，首选要给马达上电，并控制所有轴到零位置。从其它模式转变到空模式，那么只需要将所有轴控制到零位置。零位置是指倾斜轴和前进轴在系统启动位置，而组件被抬举到上升方向的位置，如图1所示。 随机模式: 在10秒间隔内为前进和上升轴位移命令产生预定义范围内的新随机值，然后由控制器软件将直升机移动到的位置。 自动驾驶模式: 种模式下，由操纵杆产生控制器所需的上升和行进命令。操纵杆的前后动作控制上升位置，左右动作来控制位置。控制器移动直升机来跟随命令所指定位置。 手动模式: 在手动模式下，操纵杆直接产生马达驱动用的电压和与电压差。操纵杆前后动作控制两个马达电压的和，左右运动控制两个马达电压的差。种模式下系统难以控制，任何轴的运动超过了某个位置限制，控制器就会自动切换到空模式。通常，在该模式后的几秒钟内产生违反限制的问题。 在系统功能和性能要求后，可以控制器软件的开发和测试。而仿真技术的应用可以直升机控制器软件的开发和测试速度。 项目规范 对嵌入式软件HIL仿真测试，需要使用嵌入式器及其附属I/器件。许多嵌入式系统来说，这只是整个系统的一小，可以在早期开发阶段组合。可以创建直升机硬件及其与外部环境交互的仿真，并控制器的I/接口把仿真与嵌入式控制器连接起来。嵌入式控制器和直升机仿真就如同系样工作。 在的嵌入式产品开发早期，经常需要仿真完整系统在预期环境中的运行。系统仿真工具，如Siulink开发的仿真系统通常实时的，但可以HIL仿真的基础。某些时候需要对仿真系统中包含的模型简化和优化，使之适合实时仿真使用。不过在本项目中不需要修改模型。 系统仿真需要用到许多高级的数学算法，但可以采用的软件工具来简化任务：Siulink是ATLAB的附件，它可以用来以框图为主的图形环境下的系统仿真。用Siulink仿真的方法是先把“调色板”上的模块拖到绘画区域，然后用代表信号流向的直线把模块连接起来。图4直升机项目中采用的位置编码模型的Siulink框图，该模型把以弧度表示的角度位置其输入信号，并产生PhaseA和PhaseB信号其输出。，它还输出指示信号，用来指示轴到达零位置的时刻。直升机位置编码器不会产生指示信号输出，不使用该Siulink模型的输出。 Statefl是Siulink的附件，用以有限状态机模型。在直升机项目中，Statefl模型用来直升机模式选择逻辑。 Real-TierkshpSiulink框图产生代码，其它工具需要使用代码来达成编译与。在本项目中，其它工具包括Real-TieindsTarget和xPTarget。 Real-TieindsTarget允许仿真的编译与P机inds系统中的实时进程，能与inds操作系统运行。在本项目中，Real-TieindsTarget的是HIL系统仿真，所用主机正是开发和控制直升机软件的计算机。align=RIGHTVSPAE=12HSPAE=12ALT=图5:直升机和控制器模型。 xPTarget允许在P机上仿真，此时P机的功能如同的实时控制器。xPTarget还实时的多任务内核供有限硬件资源的嵌入式器使用。xPTarget在本项目中用来在一台独立P上产生和直升机控制器用的实时代码，此时该P机就用作“嵌入式”控制器。 仿真开发 控制器软件开发的步是对整个直升机控制器系统的仿真，图5给出了仿真的顶层框图。两个的方框分别表示直升机系统本身和数字控制器，两个12下一页 【 较小的带有“操纵杆”和“模式命令”标签的方框向控制器用户输入信号。图5中的“直升机”框图包含有直升机的Siulink模型，如图6所示。从图6可以看到，该模型采用了转移函数、求和函数和积分器等多个Siulink模块。带“有限运动”标签的模块包含有受限于向下靠近桌面方向的上升轴运动模型。当被仿真的直升机碰到桌面时，所有3个运动轴的速度都被置为零，非常接近直升机的。从靠近右边的3个量化器可以看出位置编码器的量化。 “有限运动”模块代表子系统。子系统模块允许在仿真开发期间分层图集(hierarhialsetsfdiagras)来控制性。子系统间可以任意多层的嵌套，类似于函数的嵌套调用。图5“控制器”子系统的详细内容见图7。对3个轴角度测量值的量化结果控制器的3个输入信号，控制器输出的是两个马达的驱动电压。图7中的主要模块有：驱动直升机到指定位置的“自动驾驶”模块，在不同操作模式下产生前进和上升位移命令的“命令器”模块，用于选择不同直升机操作模式的有限状态机的“模式控制”模块。 “模式控制”模块内所含的状态流程框图如图8所示。该框图包含了系统启动时对操纵杆校正的逻辑、用户控制下的模式、当违反位置限值时自动切换到空模式，系统关闭的控制。 图5所示的“控制器”模块内部了嵌入式软件的完整方法。常见的方法是将嵌入式软件开发当作独立过程，该过程将仿真可的软件要求描述来使用。然而，更的方法是将仿真中的控制器“源代码”，供嵌入式软件使用。 在本项目中，可以把图5的“控制器”模块挎贝到新的Siulink项目中，并向框图中添加的I/器件模块。然后，再调用Real-Tie rkshp创建代码，编译后下载到嵌入式”P控制器。到此就了嵌入式软件的开发工作。 回路硬件直升机和控制器的非实时性Siulink仿真基础后可以着手HIL仿真开发了。需要创建新的Siulink项目，再把图5中带“直升机”标签的模块挎贝进来。仿真了直升机模型，并包括了的I/器件接口。Real-Tie inds Target支持多种I/器件。HIL仿真所需的I/要求包括两个AD输入(用于接收控制器发出的马达命令电压)和6个TTL数字输出(为3个仿真位置编码器分别Phase A和Phase B信号)。 本项目中将运行inds的台式P主机系统，需要使用上述条件并且PIA接口的I/器件。Natinal Instruents公司的DAQard-1200能够要求，并一根带状电缆用于连接计算机内的接口卡和独立的连接器模块。 直升机仿真以固定的帧速率运行，其仿真Phase A和Phase B信号的TTL输出则仿真帧更新一次。位置编码器信号的脉冲速率正比于运动轴的角速度，仿真帧速率可以限制能再现的最大角速度。 采用方法对位置编码器信号建模，那么当Phase A和Phase B信号隔帧交替时就能产生最高的仿真角速度。这时等式1就能得出仿真更新间隔h(秒)条件下最大的角速度值ax(度/秒)： 等式1 从直升机的数字仿真结果可以看出，倾斜轴最大的峰值角速度，但很少超过100/秒的情况。理想情况下h应不小于值，HIL仿真就不会占用计算机太大的计算资源。综合考虑要求，h的最佳值应是500us，此时更新速度是每秒2000帧，最大的仿真角速度是175.8/秒，该速度远远超过最大的角速度期望值。 每秒2000帧的直升机仿真更新速度大大超出对直升机精确建模的速度要求，必要再用高阶积分算法来获取更精确的结果。简单的二阶积分算法可以的精度，此次仿真选用的Siulink“de-2”梯形积分算法。与采用的高阶积分算法相比，算法能使仿真更高的。在P上下载并运行嵌入式软件，需要用串行电缆连接主机与计算机，并从软盘启动系统内核。控制器的Siulink框图，接下来就可载运行嵌入式控制器用的软件。在将系统的I/器件与DAQard-1200的端子连接起来后，可以在主机的Real-Tie inds Target中运行直升机的Siulink仿真。最后Siulink框图将命令发送给嵌入式控制器，从而启动控制器工作，仿真直升机的“飞行”。 在HIL仿真工作模式下可以详细检查嵌入式软件的各个，从而可以并解决设计与中的问题。所有检测工作期间无需变动任何的硬件。轮HIL仿真测试结束后，就可以测试的嵌入式应用软件，接下来与硬件的整合的性就非常大。 系统整合 在嵌入式软件HIL测试前有意嵌入式软件与直升机硬件一起运行，主要原因是体现HIL仿真的意义，硬件损坏的风险。在HIL测试后，可以把电缆从DAQard-1200上拔下来并连接到直升机硬件上，接着给系统上电并把直升机控制到“空模式”位置，然后使之随机模式，此时直升机会每隔10秒飞到随机产生的前进和上升位置。在响应命令时的摆动和过冲要比HIL仿真时大，不过就这次试验来说的。 能在所有操作模式下都能令人满意的系统性能，有必要对控制器增益。HIL仿真并完全匹配系统的，这是直升机仿真上在某些作了简化，在仿真中使用的系统集合属性并不完全符合系统属性。 仿真开发时通常都会程度的简化，事实上人们不对系统的所有因素完美的建模。最简单的方法是尽量仿真与系统间的差异，并嵌入式软件所需的参数。 HIL仿真为本项目的开发过程了的便利，整个嵌入式应用在首次与系统硬件运行前就了环境下的测试，地了硬件损坏的风险，而且更容易识别和解决与嵌入式软件的问题。整合过程也显得简捷，只是对少许参数作了重新。将未经测试的大