（控制理论与控制工程专业论文）飞行仿真转台现代控制技术研究.pdf

南京航窄航灭大学颐l 学位论文 摘要 ( 飞行仿真转台作为航空、航天等领域中进行半实物仿真和测试的关键设备，在 飞行寤的研制过程中起着极其重要的作用。飞行仿真转台性能的优劣直接关系到仿 真和测度实验的可靠性和置信度，是保证航空、航天型号产品和武器系统精度及性 能的基础。因此，飞行仿真转台的研究和制造对航空、航天工业和国防建设的发展 具有重要意义。j 本文综述了飞行仿真转台的组成、分类、功能、重要性能指标及其控制系统的 实现等内容，并据此进行了转台控制器的总体设计及硬件设计，着重对硬件电路进 行了模块划分和功能设计。详细介绍了p r o t e l9 9s e 软件强大的电路仿真功能并举 例说明其在电路仿真中的应用。最后，对在仿真转台中应用现代控制技术进行了初 步探讨。 关键字：仿真转台。节制器。电路设计：电路仿真 飞行仿真转台现代控制技术研究 a b s t r a c t f l i g h ts i m u l a t o ri so n eo f t h e m o s ti m p o r t a n td e v i c e sf o rr e a l - t i m eh a r d w a r e - i n - l o o p s i m u l a t i o no ff l i g h tc o n t r o l s y s t e m s i t i su s e dt o r e p r o d u c et h ea n g u l a rm o t i o na n d a t t i t u d eo f f l i g h tv e h i c l e s t h i st h e s i ss u a u n a r z e st h ec o n f i g u r a t i o n , c l a s s i f i c a t i o n , s p e c i f i c a t i o n sa n dc o n t r o l m e t h o d so f f l i g h ts i m u l a t o r s m e a n w h i l e ，i tm a i n l yf o c u s e so nt h eh a r d w a r ed e s i g no f c o n t r o l l e r so ff l i g h ts i m u l a t o r sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fe l e c t r o c i r c u i t s f u r t h e r m o r e ， t h es t r o n gc i r c u i ts i m u l a t i o nf u n c t i o n so fp r o t e l9 9s ea r ed e s c r i b e da n ds o m e e x a m p l e s a r eg i v e nt oi l l u s t r a t et h ea p p l i c a t i o n so ft h es o f t w a r e f i n a l l y , s o m en e w t e c h n i q u e s ， i n c l u d i n ga d v a n c e do p e r a t i n gs y s t e m , i n t e l l i g e n tc o n t r o lr u l ea n dp u r ed i g i t a lc o n t r o l l e r t a b l ea l ed i s c u s s e d k e y w o r d ：f l i g h t s i m u l a t o rc o n t r o l l o rc i r c u i td e s i g n c i r c u i ts i m u l a t i o n 南京航空航天人学硕l 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 航空、航天工业的发展水平是一个国家国力强弱的重要标志。航空、航天技术 不但在国防领域有举足轻重的地位，在人民生活中也有着越来越重要的意义。随着 空间技术和制造工艺水平的发展，人类对太空的探索越来越向其深度和广度拓展， 对探索工具及飞行器的精密度、可控性的要求也愈加严格，同步卫星的准确定位、 航天飞机的升空飞行、导弹的准确定位与自动跟踪等均离不开惯性导航与制导技术。 近年来发生的一些战争已证明导弹在现代化武器装备中日趋重要。导弹制导系统是 导弹及飞行器的核心部件，评价制导系统性能主要有两种方法：一种是在实际打靶 或实际飞行中获得数据，再依据这些数据来分析系统设计十分合理，从中发现问题 不断完善；另一种方法是用测试。仿真设备在地面测试和评价制导系统的各项性能 指标，并模拟导弹系统或飞行器的实际飞行环境，检测系统的工作状态和跟踪精度。 最早，飞行器上天之前要用许多实物进行试验研究，航空、航天产品的结构复杂、 造价昂贵，这样不仅造成许多财力、物力和人力的浪费，而且有限的试验所获得的 规律不可能十分准确。随着导弹武器系统的发展，导弹及制导技术对仿真技术提出 了更高的要求，同时，计算机技术尤其是数字计算机技术的发展为仿真技术提供了 更高的技术基础，仿真技术发生了根本性的变化，其应用范围已深入到导弹系统研 制和使用的各个环节，仿真转台是仿真技术的关键设备，由早期的单轴转台到目前 的三轴飞行仿真转台，已经可以真实地模拟导弹或飞行器的动力学特性，在实验室 条件下复现其在空中的各种飞行姿态，对导弹或飞行器的传感器件、制导系统和控 制系统及各执行机构的性能加以测试，将经典自破坏性的全实物实验转化为实验室 的预测性研究，为成功的实际飞行提供充分的技术指标和实验数据，为导弹或飞行 器的改进和再设计提供各种参考依据。同时三轴飞行仿真转台还可用于各种精密跟 踪，作为各种高精度跟踪设备( 如大型射电望远镜、天文望远镜等) 的支承架。因 此，三轴飞行仿真转台的研究在空间探索、国防建设、国民经济发展中都具有极其 重要的意义。 飞行仿真转台是飞行控制系统进行地面仿真的关键设备，用来复现导弹或飞行器 的姿态角运动，提供综合测试和物理仿真，还可以用来作为各种测量仪器和精密设 备的精度标定和校验。作为一种典型的机电一体化设备，飞行仿真转台的设计和研 制涉及到仿真技术、机械制造、电予电气、电动伺服、计算机、自动控制等学科技 术内容。飞行仿真转台实际上又是一个高精度的多自由度的随动系统，由精密机械 台体和高性能的控制系统两部分组成。本章简要介绍了仿真技术、计算机控制伺服 系统的一般概念。 t 飞行仿真转台现代控制技术研究 1 2 仿真技术 仿真技术的出现和控制系统在仿真中的应用。在很大程度上推进了控制领域的 发展，同时仿真技术的发展是与计算机的应用和发展紧密联系的，它随着计算机的 发展经历了模拟仿真( a n a l o gs i m u l a t i o n ) 、混合仿真( h y b r i ds i m u l a t i o n ) 、数字仿 真( d i g i t a ls i m u l a t i o n ) 的历史过程。目前，随着数字计算机速度的提高和软件的发 展，采用数字计算机的数字仿真获得了普遍的应用。 现代仿真技术是以相似理论、控制理论、计算机技术、信息技术及应用领域的 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 设想的系统进行动态试验研究的- - f 综合性技术。 在工程应用领域，根据系统模型的特点，仿真一般分成三大类：数学仿真、半 实物仿真和人在回路仿真。数学仿真是建立数学模型，编写程序，然后在计算机上 运行试验，再现和评价真实世界的事物特性。半实物仿真是将系统的部分实物( 如 控制系统的传感器、控制计算机、伺服执行机构) 接入回路进行试验。人在回路中 仿真是操作人员、飞行员、宇航员在系统回路中进行操纵的仿真试验。半实物仿真 和人在回路中仿真要求必须实时运行，都是实时仿真系统。 实时仿真系统基本上是由仿真计算机及数十套精密伺服系统构成，在仿真机的 统指挥下，各伺服系统协调一致运动，即可完成一次仿真任务。实时仿真系统由 三大部分组成：仿真计算机、物理效应设备、接口设备。仿真计算机是实时仿真系 统的核心部分，它运行实体对象和仿真环境的数学模型和程序。物理效应设备的作 用是模拟复现真实世界的物理环境，形成仿真环境或称为虚拟环境。仿真计算机输 出的驱动信号经接口变换后驱动相应的物理效应设备。接口设备同时将操作人员或 实物系统的控制输入信号馈入仿真计算机。 在现代飞行控制系统研制过程中，飞行仿真试验是必不可少的重要步骤。飞行 仿真系统用于飞行器的飞行性能和飞行控制、制导、导航等系统的研究。飞行半实 物仿真系统将接入飞行控制、制导、导航等系统的传感器、计算机、执行机构等实 物，飞行器飞行动力学数学模型、系统模型、仿真环境模型、外干扰模型等都在仿 真计算机上解算，仿真环境模型产生的驱动信号将控制各物理效应设备，形成各种 传感器测量用的虚拟环境。 对于导弹、火箭或其它类型的飞行器而言，半实物仿真和数学仿真都是其制导 控制系统研制工作的强有力的手段，具有提高制导控制系统研制质量、缩短研制周 期和节省研制费用等优点。 出于仿真具有良好的经济性、可控性、无破坏性、安全、不受气候环境限制、 可多次重复等特点，在工业、农业、科技、国防各个领域得到广泛的应用，已成为 继理论分析实物试验之后认识客观世界，推动科技发展的强有力的经济有效的重要 2 南京航空航天大学硕士学位论文 手段。 1 3 计算机控制的伺服系统 伺服系统是用来控制被控对象的某种状态，使其能自动地、连续地、精确地复 现输入信号的变化规律，也既是闭环控制系统。伺服系统的种类很多，组成状况和 工作状况也是多种多样，可简单地用方块图1 1 来表示它的组成。它有检测装置， 用来检测输入信号和系统的输出，有放大装置和执行部件，为使各部件之问有效地 配合使系统具有良好的工作品质，一般还有信号转换线路和补偿装置。这仅指信息 在系统中传递所必经的各个部分。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。 图1 1 伺服系统方块图 随着微型计算机的发展，尤其是单片微型计算机的迅速发展，使它们体积小， 重量轻，工作可靠，价格低廉，在伺服系统中取代了大量的模拟电路和数字电路， 提高了伺服系统的可靠性，增强了伺服系统的通用性和灵活性，促进了伺服系统向 数字化方向的发展。应用数字计算机作为数字控制器，使得许多控制理论和技术中 的新方法，例如最优控制、自适应控制和智能控制等，可应用于伺服系统中，使伺 服系统的性能和效率得到极大提高。数字伺服系统的原理方块图如图1 2 所示。 单片檄棚 图1 2 数字伺服系统方块图 3 飞行仿真转台现代控制技术研究 应用微型计算机作为数字控制器有很多优点，它们是： ( 1 )数字伺服系统中，从检测部件到控制算法的计算等，均可以采用数字 部件。只要适当地选择字长，可以得到很高的检测和计算精度j 因而 提高了伺服系统的精度： ( 2 )用微型计算机代替模拟的或数字的电路，使电路简化，体积减小； ( 3 )微型计算机便宜，使系统造价低，而控制性能提高； ( 4 )控制算法由软件实现，控制器内部的信号由程序控制，系统的适应性 和通用性增强，不同的控制规律，只需编制不同的控制软件； ( 5 )用户的误操作，计算机可以将其自动进行出错处理，从而防止误动作 和误操作。 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。位置环用微处理机控制，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。电流环则以速度环的输出 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。 1 4 本论文的主要内容 本论文针对飞行仿真转台控制系统的硬件设计部分做了一定的研究及总结，重 点阐述了控制系统中控制器及其模块电路的设计和实现方法，详细介绍了p r o t d9 9 s e 软件强大的电路仿真功能，并对在转台控制系统中应用现代先进的控制技术做了 初步探讨。 在第一章中阐述了飞行仿真转台的需求发展，介绍了飞行仿真技术，计算机控 制伺服系统的一些基本概念。 在第二章中综述了飞行仿真转台的组成、分类、重要性能指标和功能以及其控 制系统的组成、配置和实现。 在第三章中阐述了飞行仿真转台控制系统的硬件设计技术，重点介绍了转台控 制器的设计，研究了模块电路的功能设计和具体实现方法，并对印制板电路设计提 出一些优化措施。 在第四章中详细介绍了新一代e d a 软件p r o t e l9 9s e 强大的电路仿真功能，并 举例说明其仿真技术在电路设计中的应用。 在第五章中对在仿真转台中应用现代先进的控制技术做了初步探讨，如在转台 控制系统中采用先进的操作系统、智能控制规律及全数字控制器。 4 南京航宅航天人学颂l ：学位论文 第二章飞行仿真转台 飞行仿真转台，简称转台，是飞行器控制系统半实物仿真回路中的主要关键设 备之一。它的主要作用是模仿飞行器在空中飞行时姿态位置的变化，在半实物仿真 时，飞行器控制系统的测角位置、角速度等敏感元件( 如水平姿态陀螺、航向陀螺、 角速率陀螺等元件) 置放在转台的内框架中，从而使其能感受到与飞行器实际飞行 时较逼真的姿态变化信号。一般普遍采用的是三轴转台，它能复现飞行器在空中飞 行对的俯仰、偏航、滚动三个姿态角的运动。 2 1 转台的组成和分类 2 1 1 、飞行仿真转台的组成 飞行仿真转台主要由下述三个基本部分组成： ( i ) 台体 转台的台体是机械设计部分，包括基座和轴框架。三轴飞行仿真转台有三个相 对转动的框架( 外框、中框、内框) ，三个框架轴相互垂直，分别用来仿真飞行器的 航向、俯仰和滚动运动。台体各轴上均装有减速齿轮，驱动马达以及角运动敏感元 件( 如反馈电位器、光电码盘和测速机) 和高精度导电滑环，被测试件装在与内框 轴固联的负载盘或支架上。为了精确地测量转台各个轴的转角，一般都装有刻度盘， 有的甚至装有游标刻度盘。为了防止随动系统发生故障而连续旋转，撞坏被试部件， 各轴装有限制转角的限位装置( 如限位开关、接近开关) 。减速齿轮装有消除间隙的 装置( 如偏心调节间距等) 。各种引线通过各轴的中心孔以避免框架转动时发生交叉 和牵缠。 ( 2 ) 控制柜 控制柜内是转台主控装置，用来控制转台台体的运动。控制柜内放置转台的控 制器、监控装置和控制计算机等部件。控制计算机集中控制各个相互独立的轴通道， 实现转台所有的控制功能。 ( 3 ) 能源系统 能源系统是做为提供台体伺服系统专用的能源装置，有两大类：一类是电动机 伺服驱动；一类是液压伺服驱动。电动机驱动的优点是：电动机可实现连续回转， 而摆动式液压马达则不能；液压驱动需要设置液压油源，而电动机驱动则不必。液 压系统的优点是：液压马达输出力矩大且功率密度高，在同样功率条件下，液压马 达的体积和重量仅为电动机的1 2 2 0 左右，所以适用于大负载仿真转台和小负载 但通频带很宽的高频响仿真转台。并且液压马达的调速范围大，可以从最低角速度 s 飞行仿真转台现代控制技术研究 0 0 0 0 4 。s 无级调到3 0 0 。s ，其速比范围超过5 0 万倍。因此，对于小负载、低频 响的转台，采用电机驱动方案较佳，而对那些大负载、高频响的仿真转台，采用液 压驱动为宜。 2 1 2 、飞行仿真转台的分类 飞行仿真转台的分类方法有多种，现简述如下： ( 1 ) 按飞行仿真转台所采用的伺服系统能源种类区分，可以分成两类： 电动转台：控制台体运动的伺服系统全部是电气伺服系统。 电气一液压转台( 简称液压转台) ：控制台体运动的伺服系统是电气一液压伺服 系统。 ( 2 ) 按飞行仿真转台采用的伺服系统控制信号特性区分，可分成三类： 连续控制式转台：转台伺服系统中的控制信号是连续量。 数字控制式转台：转台伺服系统中的控制信号是数字量( 数字脉冲形式) 。 数一模混合控制式转台转台伺服系统中的控制信号为上述两种控制信号兼有， 即既有连续量，也有数字量。 ( 3 ) 按飞行仿真转台台面所复现的角运动的自由度区分，可分为： 一自由度转台：台面运动只有一个自由度，也称单轴转台，它只能模仿飞行器在 一个平面内的角运动。 二自由度转台：台面运动具有两个角运动的自由度，也称双轴转台。 三自由度转台：台面运动具有三个角运动的自由度，也称三轴转台。 随着寻的制导半实物仿真的需要，国外还研制出了五轴转台。例如，美国卡珂 公司生产的s - 4 5 0 r 5 型转台，其内面三轴模仿导弹的三个姿态角运动，外面的二个 轴作为目标仿真器之用。可将红外导引头的热成像仪或透镜系统装在这两轴的交叉 处，最外面二个框架轴转动时，目标仿真器可随之做复合运动。 ( 4 ) 对于最常用的三轴转台，按其台体结构型式区分，可分为两类： 卧式三轴转台：其外框架轴与水平平行( 图2 1 ) 。 这种结构型式的转台其外框架轴为水平方向，与飞行器的俯仰运动相对应，运 动范围比较大，中框模仿偏航角运动，内框模仿滚动角运动，卧式三轴转台适合于 俯仰角运动范围比较大的飞行器控制系统的半实物仿真之用( 如导弹制导仿真) 。 立式三轴转台：其外框架轴垂直于水平面( 图2 2 ) 这种结构型式的转台其外框架轴垂直向上，对应飞行器的航向角运动，运动范 围较大，中框模仿俯仰角运动，内框仍用于模仿滚动角运动。立式三轴转台适合于 航向角运动范围大的飞行器控制系统的半实物仿真之用( 如飞机的仿真) 。 6 图2 1 卧式三轴转台 图2 2 立式三轴转台 ( 5 ) 跟据所激励传感器的不同，飞行仿真转台可分为： 位置转台 用于飞行器控制和制导系统的仿真实验，与飞行器的运动规律十分相似，是飞 行仿真转台中使用较多得一种。 速率转台 用于激励速率陀螺，不仅可用于速率传感器的标定和检验，也可将其接入半实 物仿真回路，在这种情况下对速率转台的动态响应将有较高的要求，一般速率转台 的稳速精度较高而动态响应较低。 线加速度转台 线加速度转台利用离心机产生一个恒定的离心力，再由安装在离心机转盘上的 随动转台来改变安放在其上的加速度计敏感轴方向，使加速度计的输出信号能随控 制指令变化。 2 2 仿真转台的性能指标和功能 2 2 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 7 飞行仿真转台现代控制技术研究 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直接的影响，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，从而使系统的抗干扰能力 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 低速性能是三轴飞行仿真转台整体性能好坏的重要标准之一。低速平稳性的好 坏，直接关系到飞行控制系统和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非 线性因素，如间隙、摩擦、不灵敏区等，对电机驱动而言，主要使保证电机低速力 矩波动要小。 3 、宽调速 调速范围是最大角速度与最低角速度的比值。转台系统的动态范围宽，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很好的反映。这就要求既能满 足最大速度要求，又能使低速信号输出平稳。转台系统的动态范围与其执行元件的 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。影响位置精度的主要因素有位置环中元件的死区、磁滞、摩擦力矩、偏载力 矩等。其中位置反馈元件起主导作用，因此要采用高精度的位置反馈元件。 2 2 2 仿真转台的功能 根据转台的使用情况，既要求转台能自成系统，独立工作，又要求转台能接收 远程计算机的命令组成系统，协调工作，达到远程仿真的目的。因此，转台系统应 具有本地，程控切换功能，即本地控制和远程控制两种工作方式。除此之外，转台系 统还应具备如下功能： ( 1 ) 转角位置伺服控制 转台工作在位置伺服控制方式，可以按给定位置指令要求伺服调节各框的位黄， 8 南京航空航天大学硕上学位论文 并具有所要求的频率响应品质。 ( 2 ) 转角速度伺服控制 转台工作在速度伺服控制方式，可以按给定速度指令要求伺服调节各框的速度， 并具有所要求的频率响应品质。 ( 3 ) 转台限位告警 转台限位有软限位和硬限位两种：转台的软限位是在控制器面板上任意设置限 位值，当转台转角大于软限位值时，由软件程序处理发出限位告警指示和保护指令。 转台硬限位由安装在台体的限位开关实现，当转台的转角大于硬限位值时，限位开 关闭合，接通转台的保护与告警电路，转台转入保护动作。 ( 4 ) 转台保护告警 转台的保护指：功率放大器故障、转台越位、手动应急等。当出现转台保护时， 转台控制器响应动作为：转台位置闭环控制回路为低增益，转台位置环输入为零， 切断功率放大器的伺服电源，转台伺服电机与功率放大器脱离，转台伺服电机线圈 短接。 ( 5 ) 转角和转速的实时显示 转台控制器能提供转台转角与速度的实现数值显示，一般转角指示分辨角为 o 0 1 。速度指标分辨度为o 1 。s 。 ( 6 ) 微机监控 转台数字控制器采用微机数字控制，转台的模拟控制器采用单片微机控制。转 台控制具有与上位微机接口的能力。转台控制器可以接受监控器的指令或上位微机 的指令，并可使转台的位置和速度传送到上位微机。 ( 7 ) 紧急停车 当出现异常情况时，或当操作人员认为必要时，可以按下应急键，使转台控制 系统进入紧急停车状态。当转台进入紧急停车状态时，转台的控制动作与保护动作 相同。 2 3 仿真转台控制系统设计 转台控制系统是实现转台全部动静态性能指标和完成所有控制功能的重要保 证。转台控制系统的设计是件十分重要又较为繁琐的工作，控制系统设计不仅要确 定控制方案和实现方式，还要对整个控制系统的各控制装置的功能划分、信号连接 和协调进行综合考虑。如何使一个控制系统在实现复杂功能的前提下，设计简单， 操作方便是现代飞行仿真转台的控制系统设计方向。本节详细讲述了转台控制系统 的组成、基本配置、系统实现、基本原理及控制回路。 9 飞行仿真转台现代控制技术研究 2 3 1 仿真转台控制系统的组成和基本配置 l 、控制系统的组成 根据转台功能要求，一个完整的转台控制系统的组成如图2 3 所示。 模出 一功辙大器岖 i 控制计算机k 二； 信 并出 晶 号 接 转台控制器 口 巫 攀入 1 # 入 图2 3 转台控制系统结构图 由此可见，仿真转台控制系统的硬件组成包含以下六个部分： ( 1 ) 控制计算机：转台控制系统的数字控制器，实现位置闭环的数字控制。可根 据系统控制规律进行实时计算、处理、逻辑判断和存储，得出系统正常工作 所必需的指令和参数，然后输出给其它有关设备。 ( 2 ) 信号接口：完成控制计算机与转台控制器间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器，实现位置、速度闭环的模拟控制， 实现转台工作状态的监控保护功能，并对反馈信号进行调理，对控制信号进 行校正滤波然后送入功率放大器中放大。 ( 4 ) 功率放大器：转台力矩电机直流控制与放大电路。实现对控制信号的功率放 大，输出足够的功率驱动执行电机，满足执行电机的电压和电流要求。 ( 5 ) 测量元件：飞行控制系统的角运动敏感元件，一般被称为传感器。用来检测 转台的位置、速度信号转变为相应的脉冲信号和电压信号。 ( 6 ) 外设：操作、显示、记录系统工作，转台的专用控制设备和键盘、显示器等 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、 控制方案和参数的在线修改整定。 2 、控制计算机 飞行仿真转台控制系统是一个高精度快速伺服系统，对计算机的运算速度和计 算精度要求较高，必须选择运算速度高和计算字节长的微型计算机。在选择控制计 算机时，要在性能和价格上均衡考虑，使系统既满足性能要求。又降低造价。目前， 采用两种控制微机：一种是工业控制微机，一种是p c 1 0 4 控制计算机。 ( 1 ) 工业控制微机 j o 南京航空航天人学硕j ：学位论文 工业控制计算机( 简称工控机) 与一般的p c 机兼容，不同之处在于其独特的 机箱结构。工控机机箱是按照国际标准用2 m r n 厚钢板做成1 9 寸全钢密封式机箱， 增强了机械强度与抗干扰的能力；机箱两侧的导槽使得整机可以直接安装在机架上 并且整机可以前后推拉；推拉式箱盖便于插拔模扳，方便了维护；模板压杆增加了 模板与扩展槽的联接性能，防止模板抖动或拦动，增强了抗震动性能和耐冲击性能； 硬盘驱动器、软盘驱动器与机箱的机械固定装置具有冲击抗震性能；机箱的正面增 装机箱锁，防止他人随意对系统进行操作。独特的机箱结构使得工控机能适应恶劣 的工业环境，可选择的硬件接口卡较多，计算能力强，软件丰富，可以使用高级语 言，便于应用。一般p c 机与工控计算机相同配置时，价格相差甚远，就是因为从 元器件选型开始，工控机的结构和质量标准就设定在更高层次上。 工控机工业控制计算机的抗干扰能力强，工作可靠性高，但其体积大，价格高。 因此更多场合使用一体化工控机，它是将主机、显示器、键盘等做在一个机箱内， 一体化工控机可以用外设键盘输入。也可通过工控机侧面的贴膜键操作。目前，工 控机被广泛用于现场的数据采集和处理及伺服系统的上位计算机。在两轴转台或三 轴转台的研制中，多采用工控机作为上位计算机，由工控机集中控制多套伺服系统。 ( 2 ) p c 1 0 4 控制计算机 p c 1 0 4 是嵌入式p c 的机械电气标准，它的制订，为嵌入式应用提供了标准的 系统平台，它秉承了i m b p c 开放式总线结构的优点，为设计应用系统的工程师提 供了标准的、高可靠的、功能强大的、方便使用的系统组件，从而将人力从繁琐的 基于芯片的设计中解放出来。 盛博科技是国内首家国际化嵌入式计算机专业公司，不断推出高品质的嵌入式 p c 模块，这些嵌入式p c 模块被广泛用于各种高可靠的智能设备中，它的超小尺寸、 超低功耗、宽温特性、推荐的单+ 5 v 供电，以及一系列针对嵌入式应用的功能扩展， 使工程师将它视为一个超级芯片，为应用系统的设计引入“面向对象的”方法，也 为系统只后的维护、升级带来更大的方便。 s y s c e n t r e m o d u l e s u p e r d x 是一种高度集成、自栈结构、i b m - - p c a t 兼容的 p c 1 0 4c p u 模块。它被设计成为可与其它周边设备及模块构成完整系统的核心部 件。其在板不仅包含了一般p c a t 机的母板、一二块扩展板的功能，更为嵌入式 控制扩展了特有功能。目前我们采用了8 0 4 8 6 d x ( 工作频率为1 0 0 m h z ) 的处理器 作c p u ，在板包含了所有的p c a t 兼容的d m a 控制器、中断控制器及定时器， r o m b i o s ，1 6 m 字节的d r m a 及键盘、喇叭接口；在板的外部接口包括一个p c a t 兼容的双向并行口、8 m 单字节宽存储器，两个1 6 5 5 0 兼容r s 2 3 2 串行口、一个用 外部后备电池支持实时时钟。使用该模块可使系统设计人员能在其产品中实现 p c a t 机的所有功能，但只占用微小的空间及极小的功耗。 p c 1 0 4 功能扩展模块为嵌入式应用提供了一整套功能丰富的系列模块以构成 超紧凑的嵌入式p c 系统。s y s e x p a n m o d u l e v p f i e 为p c 1 0 4 系统提供高分辨率的 j f 飞行仿真转台现代控制技术研究 平板显示器接口、c r t 显示接口、软盘驱动器、i d e 硬盘接口扩展和网络u t p 接口。 它可以直接插入p c 1 0 41 6 位c p u 模块上，符合p c 1 0 4 的标准尺寸，功耗低，单 + 5 v 电源供电，并且与标准的p c 显示标准相兼容，可以支持所有使用标准文本和 图形显示的操作系统和实用软件。 一块s c m s u p e r d x ，一块s e m v f i ，加上相应的键盘、c r t 及软硬盘，一套 p c 1 0 4 基本系统就构成了。它是一种高度集成模块化设计的嵌入式计算机，两块模 块自栈式连接( 次序无关) ，整个系统的体积只有9 0 x 9 6 3 0 m m ，可嵌入在转台控 制箱内。另外还自行研制扩展了2 通道d a 转换板，2 通道的并行数字输入输出转 换板，转换板的总线布局按照p c i 0 4 模块总线设计。该系统配置由于其所占容积小， 性价比高一般适合单轴转台的研制。 3 、转台控制器 转台控制器一般以单片微机为核心，配以模拟信号调理电路和数字信号调理电 路，实现对转台的监控保护等功能。具体设计实现在第三章中有详细阐述。 4 、信号接口 由于转台的复杂控制方式，转台的数据信号有模拟信号、数字信号，还有这两 种信号的转换，因此能够准确的传输数据信号在转台计算机控制中是非常重要的。 控制计算机与转台控制器间数据和信息交流的传输方式是通过v o 口和d a 、a d 口。以工控机为上位机的转台控制中常采用工业实时控制卡，它与计算机总线兼容， 安装在工控机主板插槽中。 数字量输入输出模块常用p c l 7 2 2 工业卡，它是一种与计算机i s a 总线兼容的 并行d i o 板。该板提供6 个模拟的工业标准8 2 5 5 可编程平行接口芯片，每个芯片 提供了三个口：p a 、p b 、p c ，p c 口又分为2 个4 位口，共提供6 2 4 = 1 4 4 位d 1 0 ， 并与t t l 兼容。p c l 7 2 2 是用单一8 位f o 口命令编程的，用户可以使用汇编语言， 亦可以使用高级语言如c 语言，该板不带有专门的驱动程序。 数字一模拟转换模块常用6 2 0 8 系列工业卡，它是一种与计算机p c i 总线兼容 的8 通道d a 板，运行在即插即用方式，1 6 位高分辨率电压输出，输出电压范围为 1 0 v ，板内的d c d c 变换器为模拟输出提供稳定的电压源和电流源。 模拟一数字转换模块常用p c l - 8 1 6 工业卡，它是一个1 6 位多功能数据采集卡。 它具有1 6 个单端的和8 个差动的模拟输入通道。分辨率位1 6 位，转换时间为1 0 u s 。 它还支持一系列d i o 、计数定时、d a 应用模块，为基于p c 机的数据采集系统提 供了很大的灵活性。 5 、传感器 传感器的精度决定了系统的精度，整个控制系统的闭环任务就由传感器来完成， 从而保证了系统的稳态精度和控制精度。转台常用的传感器有：电位器、测速发电 机、光电编码盘等。 ( 1 )测速发电机 1 2 南京航空航天大学硕i ：学位论文 测速发电机能将转速信号变换为电压信号，其输出的电压信号与转速成正比。 在调速系统中，常采用直流测速发电机作为测速元件，组成速度控制反馈回路。在 位置随动系统中，测速发电机作为反馈元件，形成局部闭环回路，可以改善系统的 动态性能，并能明显减弱参数变化和非线性因素对系统性能的影响。转台控制系统 对直流测速发电机的主要要求是： 输出电压要与转速成线性关系，正、反转时特性一样； 输出特性的灵敏度高； 输出电压的纹波小； 电机的惯量小。 此外，还要求高频干扰小，噪音小，工作可靠，以及结构简单，体积小和重量轻 等。 ( 2 ) 光电编码器： 光电编码器是角度编码器的一种，它能把角位移经过简单的变换为数字量。在 测角系统中，常采用增量式光电编码器作为测角元件，组成位置控制反馈回路。编 码器的分辨率取决于编码器线数的多少，如常采用1 8 0 0 0 线转的高精度光电编码 器，并经四倍频电路调理，位置分辨率可达到0 0 0 5 。光电编码器具有高的分辨率、 高精度、高可靠性的特性，但其成本也高。 6 、功率放大器 功率放大器是指转台力矩电机的电流控制与放大电路，是伺服系统的重要部件， 它的性能对控制系统有重要的影响。目前，常用的功率放大器有线性放大器和p w m 脉宽调制放大器。 线性放大器是电压连续变化的放大器，它的优点是结构简单，具有较大的带宽， 很好的线性度和幅频特性，能承受和吸收高反压，但它的缺点是由于输出晶体管功 耗大，导致输出效率低，对于大功率系统尤其不适合。 脉宽调制放大器是借助加在电动机上电压的占空比来控制电机的，特别适用于 大功率系统，尤其是要求工作在低速、大转矩的系统中。相对于线性放大器，p w m 功率放大器具有功耗低、效率高，有利于克服伺服电机静摩擦等优点，并且工作可 靠，故在伺服系统中得到十分广泛的应用。p w m 功率放大器的更广泛的类型是采 用脉宽和脉频混合调制型，但这一类型，当遇到某个特殊频率下的机械谐振时，常 导致振荡和出现啸叫。使得在很多场合不适用。 2 3 2 控制系统实现 当仿真转台正常工作时，需要三轴同时运动，为保证转台系统在较宽频带内幅 差和相差均不超过指标要求( 一般取a e + 1 0 ，p e + 1 0 0 ) ，为保证转台在高频段的 控制精度，控制系统采样周期需要在l m s 以内，采用现代技术的工控微机可在i m s 1 3 飞行仿真转台现代控制技术研究 内完成转台三轴位置和速度的控制。转台的人机界面和保护功能则由单片微机完成， 考虑到目前国内常用单片机的字长、寄存器资源和技术成熟性等综合因素，三轴分 别选用三片8 0 3 2 单片机作为下位机，实现监控和保护等项功能。上位机( 工控机) 可 对下位机的数据输入、输出进行管理并且同远程仿真计算机进行数据交换。 因此，仿真转台微机数字控制系统可分为两部分：上位机( 工控机) 控制部分和 下位机( 单片机) 控制部分。上位机采用m s - d o s 操作系统，利用p c 机的硬件外 中断和m s - - d o s 软中断，系统能实时响应外部中断，能够满足系统实时数据采集 和数据处理要求。同时，利用软件的灵活性可方便地实现各种控制规律及改进的数 字控制算法，以实现三轴电动转台的全数字微机控制，充分发挥和利用了上位机强 大的计算功能和丰富的计算机控制系统辅助设计软件资源。上位机负责管理仿真计 算机接收并发送仿真转台位置和速度数据，通过p c l - 7 2 2 工业控制卡( d i o 模块) 对下位机( 单片机) 进行控制参数设定，给定各框架位置、速度数据和取得各框架位 置及速度反馈数据。下位机接收测速机和码盘反馈信号，与给定信号形成闭环控制， 误差信号经过调理电路、模拟控制电路后送至功率放大器放大控制电机。 上位机与远程仿真机的通讯方式有模拟和数字两种。模拟方式需经d a 、a d 转换，会损失部分精度并引入噪声；数字方式则是通过并行口输入指令信号同，如 需长线传输则应以差分方式传输，即在仿真机和转台控制微机间传输的数据信号需 经t t l d i f 转换和d i f t t l 转换，以实现信号远距离差分传输。差分信号传输提高 长距离传输的抗干扰能力，保证信号传输的可靠性。一般在转台控制柜外设计两个 信号转换箱( 一个用于t t l d i f 转换，一个用于d i f t t l 转换) ，通过电缆线将两 个信号转换箱连接起来。 上位机与下位机间的数字信号通过并行口传输，在并行传输中，数据传输速度 快，能满足转台的实时性控制要求，同时传输数据和控制的线多，采用并行接口， 使用灵活，由于上位机和下位机问的传输距离短，一般在2 m 以内，故可采用t t l 电平信号直接传输。采用工业控制卡p c l 7 2 2 卡，保证数据传输的可靠性和高速性。 上位机与下位机间的模拟信号的传送可采用1 6 位数字模拟转换板( p c l 6 2 0 8 工业控 制卡) 和1 6 位模拟数字转换板( p c l _ 8 1 6 a ，d 工业控制卡) 。 下位机控制部分可采用单轴控制器，即在控制柜中分别设计内轴控制器、中轴 控制器、外轴控制器，用三片8 0 3 2 单片机分别控制三轴，实现监控保护的功能。当 三轴的工作状态是完全不同时，这样做是非常有利的，一方面可防止相互之间信号 干扰，另一方面便于对某个轴的单独操作。 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。 1 4 南京航空航天大学硕l 学位论文 ( 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 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。 2 3 3 转台控制系统的基本原理和控制回路 仿真转台的控制系统是个典型的伺服系统，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。电流环则以速度环的输出 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2 4 为单轴的控制系统原理图。 图2 4 转台控制系统原理框图 1 5 飞行仿真转台现代控制技术研究 根据转台的控制原理，用不周的控制回路实现转台的控制规律。通常控制回路 根据给定信号方式的不同可分为：模拟控制回路，数字控制回路。下面介绍几种常 见的控制回路。 i 、速度控制回路 转台速度控制回路采用了双闭环控制，即在伺服电机功率放大器中采用电流负 反馈闭环控制，以保证功率放大器能提供及时足够的控制电流。并保证功率放大器 和伺服电机的安全。在电流环外，当信号是模拟速度给定信号( d a 转换器输出) 时，采用直流测速发电机构成模拟速度闭环；当信号是数字速度给定信号则与经微 分处理过的码盘输出信号构成数字的速度外环，以提高控制性能。 采用以直流测速发电机输出电压为反馈信号的速度伺服闭环控制，辅之以码盘 信号处理后得到的高精度速度信号以及超前一滞后环节补偿校正，使速度闭环控制回 路既具有较高的控制精度，又具有足够宽的频带。 2 、位置控制回路 转台的位置控制回路采用典型的三环控制结构，由内到外分别是电流环、模拟 速度环和位置环。位置反馈元件可采用光电编码器，根据转台具体的要求，光电编 码器角度分辩率可达到0 0 0 5 。至o 0 0 0 1 。，保证了转台的位置控制回路具有足够的 控制精度。电流环的引入则改善了系统的快速性，对动态性能的改善有利，可使得 转台不仅具有很高的静态精度，而且具有较高的动态品质。 模拟给定时，外部信号发生器或从仿真计算机来的模拟位置和速度指令经a d 转换器( p c l 8 1 6 卡) 送入控制微机，码盘检测到的反映转台位置的脉冲信号经倍 频、计数后由并行数字口( p c l 7 2 2 卡) 送入控制微型机，构成位置闭环。速度给 定信号经变换及适当校正后与位置控制器输出信号综合，加到速度环入口，构成位 置复合控制系统。模拟速度给定信号的引入，拓宽了系统的频带，同时避免了较大 超自u 补偿所引入的噪声，使系统在一定的输入信号幅度和模拟信号比例尺的情况下 具有较好的动、静态性能指标。 数字给定时，从外部信号发生器或仿真计算机来的数字式位置指令信号经并行 数据口( p c l 一7 2 2 卡) 送入控制微机，码盘检测到的反映转台位置的脉冲信号经倍 频、计数后由并行数字口( p c l 7 2 2 卡) 送入控制微机，构成数字式位置闭环。数 字位置控制器采用超前滞后前馈校正网络进一步拓宽系统频带，采用自适应鉴 频网络实时检测输入的位置给定信号之频率，并据此及时调整校正环节之参数，从 而提高系统的跟踪精度和频率响应性能指标，使系统在各种输入信号幅度和频率下 均具有较好的动、静态性能指标。 1 6 南京航空航天大学坝i ：学位论文 第三章硬件电路的设计 随着航空、航天和工业技术的高速发展，对半实物仿真技术的要求不断提高。 体现在仿真系统中负载和惯量越来越大，而要求的带宽指标和仿真精度也越来越高。 这对执行器和控制器设计提出了挑战，控制器的设计逐渐成为仿真系统研制的关键 技术之一。本章主要介绍了转台控制系统硬件总体设计及控制器模块电路的具体实 现。 3 1 转台控制系统硬件总体设计 转台控制系统硬件由指令系统、控制系统、执行机构以及反馈元件组成，如图 3 1 所示。指令系统构成人机交互界面，可从信号发生器和开关按键输入指令，通过 几位l e d 数码显示器和发光二极管点亮有关文字窗口，指示转台当前的工作状态和 监控状态。控