基于LabWindows／CVI的舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計

地面半物理仿真試驗是飛機設(shè)計與研制過程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，用于在地面環(huán)境對飛機的工作狀態(tài)進行模擬，以驗證飛機的各項性能是否滿足設(shè)計需要，該環(huán)節(jié)對保障飛機的安全性與可靠性具有重要意義。

舵機是飛機自動駕駛儀或飛機增穩(wěn)系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)，屬于飛機的關(guān)鍵部件。在飛機地面半物理仿真試驗中，需要在地面環(huán)境中模擬舵機在全飛行剖面中所受到的氣動載荷，進而為整機提供與實際飛行相近似的工作狀態(tài)，以檢驗舵機及其他部、組件的性能，并為全機研制、改進與改型提供重要參考依據(jù)。

因此，舵機負(fù)載模擬是地面半實物仿真試驗中不可缺少的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。在試驗過程中，舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)需要對負(fù)載模擬器進行控制，根據(jù)給定的載荷譜為舵機施加相應(yīng)的載荷。由于在飛機飛行過程中，各個環(huán)境參數(shù)不斷變化，所以舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)具有載荷類型復(fù)雜且變化快等特點，控制難度較大。文中采用上、下位機的分布式結(jié)構(gòu)方案，基于LabWindow/CVI開發(fā)環(huán)境設(shè)計了負(fù)載模擬系統(tǒng)控制軟件，對多個通道的舵機載荷進行實時模擬，保證了地面模擬試驗的真實性與準(zhǔn)確性。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

負(fù)載模擬系統(tǒng)由加載作動筒、電液伺服閥、控制器與傳感器等組成。其中伺服閥與加載作動筒為舵機作動器施加額定負(fù)載；拉壓力傳感器為負(fù)載模擬系統(tǒng)提供反饋信號，完成閉環(huán)控制；位移傳感器用于超差檢測和故障判斷并為系統(tǒng)提供補償。單通道負(fù)載模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單通道負(fù)載模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個試驗平臺中共有5個舵機，所以系統(tǒng)共需要五個負(fù)載模擬通道。為了達到最佳控制效果，系統(tǒng)采用上、下位機的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中上位機用于完成人機接口和協(xié)調(diào)管理等功能。由于系統(tǒng)中有四個負(fù)載模擬通道間存在一定耦合，故采用1#下位機對這四個通道進行協(xié)調(diào)控制；另一個負(fù)載模擬通道的負(fù)載頻率較高，為保證控制精度，采用2#下位機單獨進行控制。整個舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2系統(tǒng)電氣連接

系統(tǒng)電氣部分的前向通道負(fù)責(zé)將現(xiàn)場的信號實時采集處理并傳回工控機。每個通道包含一個拉壓力傳感器和一個位移傳感器，全部四個通道共計8路反饋信號。反饋信號在現(xiàn)場端通過幅值放大與零位調(diào)整后由電纜傳輸至電氣柜的信號調(diào)理板，經(jīng)阻抗隔離和濾波后輸入到相應(yīng)下位機的A/D轉(zhuǎn)換卡，并在工控機中完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)運算與處理。

系統(tǒng)電氣部分的后向通道負(fù)責(zé)將工控機的控制信號傳送至現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)。每個通道包含一個舵機指令信號、一個加載伺服閥指令信號和一個用于對系統(tǒng)進行保護的開關(guān)信號，全部四個通道共計12路控制信號?？刂菩盘枏墓た貦C的D/A轉(zhuǎn)換卡或DO接口卡輸出，通過功率放大后輸送至現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)處，完成現(xiàn)場機構(gòu)的控制。

由于系統(tǒng)采用上、下位機分布式結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)上、下位機之間的通訊，采用了基于RS-485通訊方式的異步并行通訊卡。該通訊卡基于ISA總線，以兩塊為一組，配合完成通訊。同組的兩塊板卡使用CBL-M25M9x2數(shù)據(jù)通訊線進行連接。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制軟件系統(tǒng)采用NI公司的專業(yè)開發(fā)平臺LabWindows/CVI進行開發(fā)。該平臺是工業(yè)控制、測試元件開發(fā)的專業(yè)平臺，具有界面簡潔、友好，能較好地模擬工業(yè)控制儀器與環(huán)境等突出特點，其強大的圖形用戶界面交互編輯功能與豐富的函數(shù)庫及網(wǎng)絡(luò)通信模塊使其特別適合工業(yè)控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)。

控制軟件系統(tǒng)分為兩大部分：上位機監(jiān)控及人機對話軟件和下位機數(shù)據(jù)采集與控制軟件。為了提高軟件的可靠性、保證軟件功能的靈活性并滿足軟件系統(tǒng)的易用性、可擴展性等要求，系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，通過不同的模塊來完成軟件系統(tǒng)的各個功能。

上位機軟件不負(fù)責(zé)負(fù)載模擬過程中載荷的控制，而只承擔(dān)監(jiān)測、協(xié)調(diào)與管理下位機的作用。上位機軟件系統(tǒng)包括監(jiān)控模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、通訊模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等組成部分。其主要的功能包括：

1）GUI界面的人機對話接口；

2）試驗進程的監(jiān)測與報警處理；

3）對下位機狀態(tài)的控制與管理；

4）控制參數(shù)的設(shè)置；

5）載荷譜、運動譜的設(shè)置；

6）系統(tǒng)輸入輸出通道的標(biāo)定與自檢；

7）試驗數(shù)據(jù)的保存處理與報表輸出。

下位機負(fù)責(zé)試驗中對舵機以及負(fù)載模擬系統(tǒng)的控制。下位機軟件主要包括初始化模塊、試驗控制模塊、通訊模塊和狀態(tài)監(jiān)測模塊等組成部分。其具體功能包括：

1）現(xiàn)場信號的數(shù)據(jù)采集；

2）控制決策與運算；

3）輸出控制；

4）載荷數(shù)據(jù)的上傳。

上、下位機軟件之間的數(shù)據(jù)通信通過高速數(shù)據(jù)通訊卡完成。數(shù)據(jù)通訊卡采用全雙工模式，通訊內(nèi)容包括：上位機下傳至下位機的啟動、停止、自檢等指令以及控制參數(shù)、載荷譜和運動譜參數(shù)等信息；下位機上傳至上位機的用于實時顯示和保存的現(xiàn)場數(shù)據(jù)等信息。所用的通訊過程均按照約定的通訊協(xié)議完成。

當(dāng)軟件程序開始運行時，系統(tǒng)會首先對各個系統(tǒng)參數(shù)以及板卡端口進行初始化。工作人員可以通過上位機軟件程序提供的人機交互界面進行傳感器標(biāo)定、控制參數(shù)設(shè)定、試驗任務(wù)選擇等操作。當(dāng)開始試驗后，上位機會通過通訊模塊將控制參數(shù)與指令下傳給上位機，并同時建立數(shù)據(jù)顯示線程與數(shù)據(jù)保存線程，將下位機上傳的實時數(shù)據(jù)以動態(tài)曲線的形式顯示在終端顯示器并保存于存儲介質(zhì)中，以方便工作人員實時監(jiān)測或日后調(diào)用。舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)的整個閉環(huán)控制均在相應(yīng)下位機中完成，其過程包括接收上位機控制參數(shù)及指令，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時采集并做超差檢驗，完成控制器計算及輸出和向上位機上傳實時數(shù)據(jù)等步驟。軟件系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

從控制軟件的流程圖可以看出，在上位機軟件運行過程中采用了多線程技術(shù)。這種設(shè)計可以更加有效的利用CPU的性能。由于多線程間方便的通訊機制，幾個線程可以共享數(shù)據(jù)空間，大大減少了啟動線程所需的空間和線程間彼此切換的時間，使應(yīng)用更加快捷與方便。同時，多線程技術(shù)的采用，也使得程序的邏輯與控制方式更加簡單，便于理解與修改。在測控軟件設(shè)計與應(yīng)用過程中，對數(shù)據(jù)采集的實時性要求很高，這需要系統(tǒng)有較高的采樣頻率，使用高精度的定時器是滿足系統(tǒng)需求的關(guān)鍵。在本文的舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)中，使用了多媒體定時器對控制進程進行管理，其精度很高，最小誤差約為1 ms，且多媒體定時器的優(yōu)先級較高，可以減輕資源緊張時對定時器運行的影響。

3系統(tǒng)控制策略

在舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)的控制過程中，最大的難點在于對系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的多余力進行抑制與消減。

多余力是由承載系統(tǒng)（舵機）的主動運動造成的。承載系統(tǒng)的主動運動，會拖動加載系統(tǒng)（負(fù)載模擬器）與其一起運動，在加載作動筒兩腔產(chǎn)生強迫流量，引起多余力。多余力的大小與運動的速度和加速度密切相關(guān)。同時，多余力具有微分特性，不僅超前于加載力，并且會隨著承載系統(tǒng)運動頻率的增加而迅速增大。為此，在控制系統(tǒng)設(shè)計時，必須采用合理方法，將多余力抑制并消減到一定的范圍內(nèi)。

為了對負(fù)載模擬過程中出現(xiàn)的多余力進行抑制，很多學(xué)者做出了研究。楊剛等采用模糊自適應(yīng)控制策略，能較好的消除多余力，但模糊控制器的建立過程太復(fù)雜且可移植性差，石旭東等采用CMAC與PID并行控制方法，自適應(yīng)能力較強，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程具有較大的不確定性。羅璟等引入H∞控制方法，但這種方法需要建立系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型。

結(jié)合工程實際情況，分析項目中舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)的特點，在對舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)進行控制時，系統(tǒng)的運動譜（舵機運動規(guī)律）和載荷譜（負(fù)載模擬器運動規(guī)律）都是已知的。所以可以根據(jù)結(jié)構(gòu)不變性原理，在計算要輸出的控制信號時，預(yù)先施加一個適當(dāng)?shù)那梆佈a償，以達到減少外部擾動的目的。

舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)如圖4所示，其中d為干擾輸入。根據(jù)結(jié)構(gòu)不變性原理，為了消除干擾d對系統(tǒng)的影響，理論上需要滿足條件Gf（s）G1（s）+G3（s）=0，即需設(shè)計一個前饋補償環(huán)節(jié)Gf（s）=-G3（s）/G1（s）。

圖4 前饋補償原理

在設(shè)計前饋補償環(huán)節(jié)時，以加載輸出端的位移做為前饋補償環(huán)節(jié)的輸入信號。這樣選擇有兩個突出優(yōu)點。一是采用加載輸出端的位移做補償輸入時，消除了連接機構(gòu)的彈性形變以及慣性負(fù)載引起的滯后與衰減作用的影響，簡化了負(fù)載模擬系統(tǒng)的動態(tài)特性，使補償后的系統(tǒng)被簡化成一個二階環(huán)節(jié)，有助于提高負(fù)載模擬系統(tǒng)的閉環(huán)動態(tài)性能。二是當(dāng)采用加載輸出端位移為補償輸出時，負(fù)載模擬系統(tǒng)控制器中的所有傳感器檢測信號與執(zhí)行機構(gòu)控制信號均在加載系統(tǒng)一側(cè)，在結(jié)構(gòu)上保持了負(fù)載模擬系統(tǒng)的獨立性。

4系統(tǒng)實現(xiàn)與試驗結(jié)果

根據(jù)上述各部分的分析與設(shè)計，完成了舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)的硬件平臺搭建和軟件程序的編寫與調(diào)試。經(jīng)過一定的調(diào)試，達到了理想的控制效果。試驗設(shè)備在相應(yīng)載荷指令下的響應(yīng)如圖5所示。根據(jù)試驗結(jié)果可知，實際響應(yīng)對指令的動態(tài)跟蹤效果很好，滿足了系統(tǒng)的要求。

圖5 實驗結(jié)果圖

5結(jié)論

本文基于LabWindows/CVI開發(fā)環(huán)境，對舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)進行分析與設(shè)計。經(jīng)實踐證明，該系統(tǒng)能對舵機載荷進行實時、準(zhǔn)確的模擬，具有很好的控制效果，充分滿足了試驗要求。同時，本文提及的舵機負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計方法，對同類的電液負(fù)載模擬器的設(shè)計也具有一定的借鑒與參考價值。