基于dsp的某飞行器侧向通道稳定控制系统半实物仿真

基于dsp的某飞行器侧向通道稳定控制系统半实物仿真

1控制系统的仿真随着计算机技术和模仿技术的快速发展，实时模拟已成为各种控制系统设计的重要手段。借助于先进仿真技术不但能大大减轻设计人员的工作量,而且能缩短研发周期,减少研发的经费,因此高效便捷、高精度、高可靠仿真技术的研究越来越受到人们的重视。德国dSPACE公司提供的基于MATLAB/Simulink的控制系统实时环境开发和测试平台,有多种标准CPU、A/D、D/A板,能够方便地构建实时仿真系统。本文针对数字式控制系统,基于dSPACE标准组件和MATLAB/Simulink软件环境,建立控制系统的仿真平台。用dSPACE标准组件系统作为仿真计算机,模拟被控对象的实时动态特性;用dSPACE标准CPU模板作为控制用快速原型机,使数字控制能快速便捷地构建起来,以验证各种控制算法,并通过半实物仿真验证控制系统的动态性能。2模拟平台2.1控制计算机的组成半实物仿真平台主要由主控计算机、仿真计算机、控制计算机(原型机)、A/D接口、D/A接口及相关能源设备、记录设备等组成,如图1所示。其中被控对象采用数学仿真,由dSPACE仿真计算机通过软件实现;控制计算机用仿真实物实现,即用dSPACE标准组件作为控制计算机的快速原型机,实现控制计算机功能;仿真计算机通过A/D、D/A等输入输出口与控制系统实物相互,实现数字控制器与外界设备的信息交换。输入和输出信息分别从转接口和dSPACE引出,通过记录仪进行记录。2.2实时仿真和控制参数优化主控计算机是整个仿真系统的上位机,采用有多个ISA总线的工控机,安装MATLAB6.5系列软件、dSPACE软件,用于构建控制系统Simulink框图、进行系统参数优化和数字仿真、控制仿真过程、编译下载仿真软件、输入输出仿真结果等。根据控制系统设计和建模结果,利用MATLAB/Simulink构建系统数字仿真框图,进行数字仿真和控制参数优化。在数字仿真的基础上,利用dSPACE提供的RTI软件,将被控对象的Simulink框图生成实时代码并自动下载到dSPACE仿真计算机中;将控制器控制方程的Simulink框图生成实时代码并自动下载到dSPACE快速原型机中。用dSPACE提供的综合试验与测试环境软件ControlDesk、自动实验及参数调整软件MLIB/MTRACE、PC与实时处理器通信软件CLIB以及实时动画软件RealMotion等实现试验过程控制和参数测量。该软件环境可以方便地实现代码生成、下载和试验调试等工作。2.3核心网络ds2005用dSPACE标准组件系统DS1005PPC处理器板作为仿真计算机,用以模拟被控对象。DS1005PPC处理器与主控机之间用光缆连接交换数据。DS1005PPC板主频480MHz;片内数据和指令缓存均为32KwordS;通过32位PHS总线可管理16块I/O板,通过ISA总线与主机进行数据交换,并具有相当强的计算能力。由于PHS总线是专门为实时应用设计,所以它不存在其他外部传输协议的总线所存在的内含软件问题。2.4ds113控制器板在数字控制系统的控制计算机实物研制完成以前,dSPACE提供了良好的仿真实物。本文采用dSPACE单板系统DS1103控制器板作为原型机,用来实现控制器的控制算法。DS1103板卡把处理器和I/O集成到一块板子上,形成一个完整的实时仿真系统。使用时将DS1103插到主控计算机ISA槽,通过ISA总线与主控机和仿真机交换数据。用这种板卡作为控制计算机的原型机可以完全模拟数字控制算法,大大缩短研制周期。2.5转换板的主要技术特性为了满足半实物仿真需要,采用了DS2003A/D转换板和DS2103D/A转换板与实物相连,主要技术特性如表1和表2所示。这种板卡具有足够高的精度,能真实有效地传递数模信号,不会给仿真系统带来误差。3稳定控制系统仿真基于以上仿真平台,我们对某飞行器侧向稳定控制系统进行了半实物仿真。该稳定控制系统根据制导体制的要求分为姿态控制和过载控制,初制导结束时姿态控制器切换为过载控制器,姿态控制器的作用是稳定、控制飞行器侧向姿态调整到预定位置,过载控制器的作用是控制飞行器付出相应的过载。稳定控制系统包括敏感元件、控制器、执行机构以及被控对象,其中作为被控对象的飞行器运动方程用仿真计算机数学仿真实现,敏感器件和控制器用快速原型机实现,舵伺服机构用实物。dSPACE控制原型机根据控制规律解算出俯仰和偏航通道的控制指令后进行舵指令分配,然后通过D/A口送给舵机实物;四个舵偏角的输出经转接电缆反馈至转接口,然后通过A/D口进入dSPACE仿真机。仿真过程中采用四阶龙格库塔法解算,采样周期为2.5ms;在仿真过程中利用ControlDesk软件包进行模型信号的动态显示、记录以及模型参数的在线调整和存储。3.1航通道运动的数学模型飞行器侧向通道稳定控制系统的俯仰通道和偏航通道运动的数学模型通常采用以下方程:式(3.1)、(3.2)为俯仰(偏航)通道的状态空间表达式,式中参数含义详见文献。3.2控制器综合指令信息的解算控制回路中采用了两个速率陀螺和两个线加速度计,分别测量俯仰和偏航通道的姿态角速度信息和质心运动信息,反馈给控制器综合指令信息后进行控制规律的解算。速率陀螺的简化模型为:其中Kgy为传递系数,Tgy为时间常数,ξgy为阻尼系数。加速度计的简化模型为:其中Kacc为传递系数,Tacc为时间常数,ξacc为阻尼系数。3.3变结构控制方程俯仰、偏航回路姿态控制采用部分状态反馈变结构方法,过载控制采用积分变结构方法,控制规律分别为:式中UdP(Y)为俯仰(偏航)回路的舵指令,KsfP(Y)和ugyP(Y)分别为俯仰(偏航)回路的阻尼控制系数和飞行器姿态角速度运动陀螺输出,uvP(Y)为俯仰(偏航)变结构控制器输出,姿态控制段和过载控制段分别如式(3.6)、(3.7)所示:式中状态变量变结构控制系数为ψ1P(Y)、ψ2P(Y)和δu,σP(Y)=c1P(Y)x1P(Y)+c2P(Y)x2P(Y)为变结构控制滑动模态,边界层厚度为δP(Y)。式中状态变量ψ1P(Y)、ψ2P(Y)和KP(Y)为积分变结构控制系数,变结构控制滑动模态为:边界层厚度为δP(Y)。式(3.6)、(3.7)中KuP(Y)、KgP(Y)和KaP(Y)等控制参数的含义参见文献。3.4姿态误差在数字仿真和半实物仿真中的表现由于俯仰和偏航通道呈轴对称分布,因此这里主要以偏航通道为例,俯仰通道的仿真结果类似。某特征点姿态控制的数字仿真曲线如图2,其半实物仿真曲线如图3;过载控制的数字仿真曲线如图4,其半实物仿真曲线如图5所示。从图2和图3可看出,姿态控制半实物仿真的调节时间和超调量等主要技术指标和数字仿真一致,图3中跟踪姿态指令时,姿态角稳态值较数字仿真发生了的漂移,这是由于姿态变结构控制系统中是利用姿态角作为反馈,当舵系统存在零位误差时导致实际姿态角稳态值漂移。如图5所示,跟踪1V阶跃过载指令时,付出8g的过载,稳态误差几乎为零,调节时间0.23秒,超调量约2.5%。与图4比较可知,过载控制半实物和数字仿真结果完全一致。4半实物仿真平台本文采用dSPACE标准组件系统DS1103P