無(wú)人機(jī)舵機(jī)HIL仿真方法研究
王志遠(yuǎn)，閆建國(guó)，孫倩
(西北工業(yè)大學(xué)．陜西西安710072)
摘要：為簡(jiǎn)化編程及優(yōu)化控制律，介紹了一種無(wú)人機(jī)舵機(jī)的HlL實(shí)時(shí)仿真方法。詳細(xì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件，構(gòu)建了基于Simulink的舵機(jī)控制系統(tǒng)HlL仿真模型，可實(shí)時(shí)在線調(diào)整模型參數(shù)及監(jiān)視仿真數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)的位置隨動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性，能夠較全面驗(yàn)證舵機(jī)控制軟件的可靠性，加快了舵機(jī)及無(wú)人機(jī)的研制。
關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)舵機(jī)；HlL仿真；位置隨動(dòng)控制
O引 言
舵機(jī)作為無(wú)人機(jī)制導(dǎo)系統(tǒng)的主要組成部分，是操縱機(jī)動(dòng)飛行的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為確保軟件的可靠性，需建立相應(yīng)的仿真系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。
一般的開(kāi)發(fā)過(guò)程雖然能在純數(shù)字仿真階段使用Matlab等仿真軟件開(kāi)發(fā)仿真模型，但還需要人工把純數(shù)字仿真使用的模型翻譯成可被實(shí)時(shí)仿真機(jī)執(zhí)行的代碼而不能直接利用數(shù)字模型。如何利用已開(kāi)發(fā)好的仿真模型，并直接把這些模型放到仿真機(jī)中運(yùn)行呢?Matlah的ETTc2000能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能。使用基于Matlab／ETTTIc2000的HIL實(shí)時(shí)仿真方法將大大減少仿真軟件的開(kāi)發(fā)量，避免各種手工編寫(xiě)代碼出現(xiàn)的錯(cuò)誤，縮短舵機(jī)控制軟件的開(kāi)發(fā)周期。
本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)人機(jī)舵機(jī)的HIL(Hardwarein the 1oop)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，利用Matlab 7. l提供的ETTIc2000進(jìn)行可視化模塊編程，在舵機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中驗(yàn)證新的控制率，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度。1 HlI。實(shí)時(shí)仿真方法
HlL仿真是目前國(guó)外控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的常用仿真方法，將計(jì)算機(jī)仿真(純軟件)和實(shí)時(shí)控制(硬件在回路)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，將實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)一傳感器替代其實(shí)時(shí)模型，與實(shí)際控制器構(gòu)成閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，可將仿真結(jié)果直接用于實(shí)時(shí)控制，極大提高控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。
H1L實(shí)時(shí)仿真方法就是應(yīng)用Matlab／simulink模塊框圖建立起仿真系統(tǒng)模型，以圖形化的方式對(duì)算法進(jìn)行概念化，在搭建起半實(shí)物仿真硬件平臺(tái)后使用ETrIc2000自動(dòng)代碼生成功能，生成可在DsP內(nèi)運(yùn)行的仿真模型的實(shí)時(shí)c代碼，實(shí)時(shí)在線調(diào)整仿真參數(shù)，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)修改模型，如此反復(fù)直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。HIL實(shí)時(shí)仿真方法實(shí)現(xiàn)了一種新的快速的從全數(shù)字仿真到半實(shí)物仿真的一體化過(guò)程。其仿真流程圖如圖1所示。
ETTIc2000(Emhedded TI 2000)DsP工具箱專門(mén)針對(duì)TI公司2000系列DsP，以ccsLInk為基礎(chǔ)將DsP內(nèi)部集成的外設(shè)模塊以Simulink模塊的形式給出，通過(guò)Madab中Real-Time workshop生成ccs IDE中特定DsP的c代碼并完成編譯、鏈接同時(shí)下裝到目標(biāo)板中運(yùn)行。在整個(gè)過(guò)程中設(shè)計(jì)者只要專注于在Matkb的圖形化設(shè)計(jì)環(huán)境中建模、仿真，針對(duì)DsP的代碼將自動(dòng)生成，無(wú)需設(shè)計(jì)者編寫(xiě)源代碼。
2舵機(jī)HIL仿真的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
搭建系統(tǒng)硬件、構(gòu)建HILs模型后，就實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)舵機(jī)HIL半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)�；谶@個(gè)系統(tǒng)可方便地多次進(jìn)行算法調(diào)整，在線實(shí)時(shí)修改仿真模型或調(diào)整控制律參數(shù)，反復(fù)修改，直到獲得滿意、符合舵機(jī)技術(shù)指標(biāo)。
2 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
無(wú)人機(jī)舵機(jī)HIL仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其為位置環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)。主要由上位機(jī)(Pc機(jī))、主控制電路、位置反饋采樣電路、電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路、直流電動(dòng)機(jī)等組成。以TI公司TMS320F2812為主控芯片及其外圍電路構(gòu)成的主控制電路，完成各種模擬、數(shù)字信號(hào)的采集和提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并與上位機(jī)進(jìn)行通信。DsP代碼由Simu1ink模型自動(dòng)產(chǎn)生從而完成軟件實(shí)現(xiàn)。
功率驅(qū)動(dòng)采用H橋集成芯片BD6221，內(nèi)部集成了故障檢測(cè)、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)等多種功能，極大簡(jiǎn)化了硬件電路，可靠性與穩(wěn)定性都有大幅提高。系統(tǒng)選用微型有刷直流電動(dòng)機(jī)作為原始動(dòng)力部件，接收功率驅(qū)動(dòng)發(fā)送的單路PwM信號(hào)，帶動(dòng)舵面的偏轉(zhuǎn)。
系統(tǒng)選用精密導(dǎo)電塑料線性電位計(jì)作為位置采樣裝置，與舵面搖臂同軸相連。電位計(jì)旋轉(zhuǎn)其阻值將線性變化，輸出電壓值則反映了舵面實(shí)際的偏轉(zhuǎn)角。
主控制電路中DsP接收位置反饋信號(hào)，經(jīng)處理后上傳上位機(jī)，在simmulink模型中解算控制律，產(chǎn)生電機(jī)PwM控制信號(hào)，再將自動(dòng)生成的模型代碼下裝到DsP并運(yùn)行，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路向電機(jī)發(fā)送控制指令從而控制電機(jī)運(yùn)行。
2 2位置環(huán)控制率設(shè)計(jì)
位置環(huán)直接決定舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)，系統(tǒng)位置環(huán)調(diào)節(jié)采用增量式PID控制算法，能保證系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，同時(shí)具有較好的靜態(tài)性能和小超調(diào)量。
|
