基于模塊化設(shè)計(jì)的嵌入式伺服控制軟件的研究

欒婷

摘要 本文研究一種模塊化的嵌入式軟件閉環(huán)算法的設(shè)計(jì)方法，分析了傳統(tǒng)閉環(huán)算法設(shè)計(jì)的不足之處，給出了模塊化閉環(huán)算法的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)給出了幾種閉環(huán)運(yùn)算中常用的運(yùn)算類型的模塊化封裝方法。在完全采用模塊化設(shè)計(jì)方法后，縮短了伺服系統(tǒng)嵌入式控制軟件的編寫和調(diào)試時(shí)間，在提高效率節(jié)省資源的同時(shí)，也提高了伺服控制軟件的可靠性。

[關(guān)鍵詞]模塊化 嵌入式 伺服控制

1 概述

伺服控制器是伺服系統(tǒng)的數(shù)字電子控制補(bǔ)償裝置，伺服控制器接收控制系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)字指令信號(hào)，在伺服系統(tǒng)地面測(cè)試、發(fā)射準(zhǔn)備、飛行等階段，通過控制器內(nèi)部的嵌入式軟件運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)采集、數(shù)字閉環(huán)控制、數(shù)字零位補(bǔ)償及校正和與控制系統(tǒng)的通訊等功能。伺服系統(tǒng)總體要求伺服控制器嵌入式軟件的閉環(huán)算法調(diào)整編寫速度要快，出錯(cuò)次數(shù)要少，整體可靠性要高。為此伺服系統(tǒng)控制器的嵌入式軟件進(jìn)行了以提高可靠性為主要目的的軟件模塊化設(shè)計(jì)。

2 伺服系統(tǒng)嵌入式軟件組成

本課題中伺服系統(tǒng)數(shù)字控制器以DSP（TMS320F2812）為計(jì)算平臺(tái)，采用15 53B總線進(jìn)行通信，采用TI公司為此配套的編譯軟件CCS來編寫、調(diào)試和燒錄程序。

伺服控制器軟件的任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)與總線系統(tǒng)之間的通信，接收并執(zhí)行BC的控制指令，并向BC發(fā)送伺服系統(tǒng)狀態(tài)信息;定時(shí)采集伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)并按指定格式傳送給總線系統(tǒng);定時(shí)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合;定時(shí)對(duì)擬合后的冗余信號(hào)進(jìn)行冗余表決，表決的結(jié)果作為數(shù)字閉環(huán)控制算法的反饋信號(hào);定時(shí)接收BC發(fā)送的控制指令數(shù)據(jù)，進(jìn)行伺服系統(tǒng)的數(shù)字閉環(huán)控制及補(bǔ)償;同時(shí)軟件具備初步的故障診斷及余度管理功能。

伺服系統(tǒng)嵌入式控制軟件的主要組成如圖l所示。

各模塊分別執(zhí)行自己的功能，進(jìn)行模塊間數(shù)據(jù)交互，執(zhí)行閉環(huán)控制算法，完成對(duì)伺服閥的控制。

閉環(huán)控制算法通常需要進(jìn)行三冗余反饋數(shù)據(jù)表決、擬合、故障診斷和余度管理等運(yùn)算，閉環(huán)控制的步驟很多，如果還把閉環(huán)控制算法當(dāng)成一個(gè)基本模塊來編寫，必然會(huì)使軟件的執(zhí)行步驟和復(fù)雜度大大增加。這不僅增加了嵌入式軟件編寫人員的工作量，在伺服系統(tǒng)調(diào)試過程中，也會(huì)不可避免的增加因軟件編寫錯(cuò)誤而導(dǎo)致的無效啟機(jī)試驗(yàn)，因此而造成大量有效時(shí)間浪費(fèi)和不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

為此，針對(duì)伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖的特點(diǎn)，專門對(duì)伺服控制器嵌入式軟件的閉環(huán)控制部分進(jìn)行了模塊化細(xì)化設(shè)計(jì)。

3 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及技術(shù)改進(jìn)點(diǎn)

3.1 傳統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)算程序設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)的閉環(huán)計(jì)算方法把閉環(huán)控制框圖當(dāng)成一個(gè)基本軟件模塊來設(shè)計(jì)，主要采用的是面向過程的編寫方法。因?yàn)橐郧暗乃欧到y(tǒng)閉環(huán)控制框圖相對(duì)比較簡單，采用面向過程的設(shè)計(jì)方法可清晰的表達(dá)控制框圖中的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

下面示出了傳統(tǒng)閉環(huán)控制運(yùn)算中，陷波環(huán)節(jié)（二階環(huán)節(jié)）的嵌入式C程序編寫內(nèi)容。

//陷波環(huán)節(jié)參數(shù)定義部分

//#define CurDifData_ CalCoeff 2.2019/*當(dāng)前誤差信號(hào)數(shù)據(jù)系數(shù)+/

//#define PrevDifData_ CalCoeff4.2328/*前一次誤差信號(hào)數(shù)據(jù)系數(shù)+/

//#define PrevPrevDifData CalCoeff2.1164/*前兩次誤差信號(hào)數(shù)據(jù)系數(shù)*/

//#define PrevHYPData CalCoeff l.8575/*前一次閉環(huán)算法結(jié)果數(shù)據(jù)系數(shù)e/

//#define PrevPrevHYPData C alCoe ff0.9430/*前兩次閉環(huán)算法結(jié)果數(shù)據(jù)系數(shù)*/

//陷波環(huán)節(jié)計(jì)算過程

g_stHistoryDifference [i].m_fCurData;

對(duì)于只有一個(gè)二階計(jì)算節(jié)點(diǎn)的伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖來說，該編寫方法是比較合適的，如果在閉環(huán)控制框圖中，二階節(jié)點(diǎn)不只一個(gè)，并且在計(jì)算過程中還間插有一階節(jié)點(diǎn)、多項(xiàng)式擬合等運(yùn)算，這種面向過程的編寫就顯的有些亂，一旦總體要修改控制框圖結(jié)構(gòu)，程序調(diào)整起來工作量就比較大，并且很容易出現(xiàn)潛在錯(cuò)誤。

3.2 改進(jìn)的閉環(huán)運(yùn)算程序設(shè)計(jì)方法

在閉環(huán)控制框圖中，大致有“N階節(jié)點(diǎn)”、“多項(xiàng)式擬合”和“3冗余表決”這三大類運(yùn)算，如果把這三類運(yùn)算分別進(jìn)行模塊化封裝，使其自成一體、功能獨(dú)立，則會(huì)大大簡化閉環(huán)控制框圖的嵌入式程序編寫，軟件的維護(hù)性也會(huì)有很大提高，便是總體臨時(shí)決定改動(dòng)閉環(huán)控制框圖結(jié)構(gòu)，程序的改動(dòng)和傳統(tǒng)方法相比，也會(huì)少很多，并且程序結(jié)構(gòu)更加清晰，很難出現(xiàn)低級(jí)別的程序錯(cuò)誤。下面分別介紹上述三大類運(yùn)算改進(jìn)的編寫過程。

3.2.1 N階節(jié)點(diǎn)

N階節(jié)點(diǎn)的計(jì)算過程中，用到了前N次的輸入/輸出狀態(tài)，為此，需要定義一些類似傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的全局變量來保存這些狀態(tài)，并且在每次運(yùn)算時(shí)需逐次更新。為了簡化閉環(huán)運(yùn)算流程，采用了可面向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，把這些變量封裝在結(jié)構(gòu)里面，并由結(jié)構(gòu)體對(duì)應(yīng)的操作函數(shù)來執(zhí)行運(yùn)算。因每個(gè)節(jié)點(diǎn)的階次和參數(shù)都不同，因此，便把它們作為了該操作函數(shù)的輸入?yún)?shù)。這樣，便可實(shí)現(xiàn)N節(jié)點(diǎn)的封裝和獨(dú)立運(yùn)算。

下面示出了改進(jìn)的閉環(huán)控制運(yùn)算中，二階陷波器的嵌入式C程序編寫內(nèi)容。

//N階節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體封裝（此處N<2），位于頭文件中。

//……控制框圖中基本運(yùn)算節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體定義……

//控制框圖中基本運(yùn)算節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體定義

//控制算法框圖中的每一個(gè)方框都看作一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，應(yīng)該為每個(gè)方框都

//定義一個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)中保存著該方框的輸入和輸出狀態(tài)，默認(rèn)為2階系統(tǒng)。

//每個(gè)節(jié)點(diǎn)都帶有積分輸出保持開關(guān)標(biāo)志和輸出限位開關(guān)標(biāo)志。

//該節(jié)點(diǎn)需要和對(duì)應(yīng)函數(shù)ControlNode_Process（）配合使用。

struct ControlNode

{

//控制節(jié)點(diǎn)輸入狀態(tài)，降階排列：O：當(dāng)前狀態(tài)X（K）1：前1狀態(tài)X（k-l）2：前2狀態(tài)X（k-2）…

float flnput[3];

//控制節(jié)點(diǎn)輸出狀態(tài)，降階排列：O：當(dāng)前狀態(tài)Y（K）1：前1狀態(tài)Y（k-l）2：前2狀態(tài)Y（k-2）…

fioat fOutput[3];

//控制節(jié)點(diǎn)計(jì)算用分子參數(shù)降階排列，和matlab離散化后數(shù)值與排列方式都相同

float fNum[3];

//控制節(jié)點(diǎn)計(jì)算用分母參數(shù)降階排列，和matlab離散化后數(shù)值與排列方式都相同

fioat fDen[3];

//表示當(dāng)前控制節(jié)點(diǎn)的階數(shù)

int NodeOrder;

//輸出保持開關(guān)1：使能輸出保持，當(dāng)前輸出值保持為前一個(gè)狀態(tài)值O：禁用輸出保持

int Switch_OutputHold;

∥輸出限位開關(guān)1：使能輸出限位，當(dāng)前輸出值為最大限位值 O：禁用輸出限位

int Switch_OutputLimit;

//節(jié)點(diǎn)輸出最大值

fioat flvlaxOutput;

//節(jié)點(diǎn)輸出最小值

fioat fMinOutput;

）;

extem

struct ControlNodestNode_Trap[2];

//陷波節(jié)點(diǎn)系數(shù)初始化，參數(shù)和matlab離散化計(jì)算值順序相同，復(fù)制過來加逗號(hào)即可

float fXianbo_Coef_Num[3] ={0.5753，-1.0745， 0.5168）;

float fXianbo_Coef_Den[3]={1.0000，-1.7819， 0.7994};

//陷波節(jié)點(diǎn)初始化，陷波節(jié)點(diǎn)為2階節(jié)點(diǎn)

InitiationNode（&stNode_Trap [i]，fXianboCoef_Num，fXianbo_Coef_Den，2）;

//閉環(huán)控制框圖中的計(jì)算部分

//陷波節(jié)點(diǎn)計(jì)算mA

ControlNode_Process（&stNodeTrap[i]，fErrorResult_3）;

從改進(jìn)后的程序中看出，在封裝的結(jié)構(gòu)體內(nèi)還具有輸出保持開關(guān)和限幅開關(guān)，如果當(dāng)一個(gè)N階環(huán)節(jié)為積分節(jié)點(diǎn)時(shí)，這兩個(gè)開關(guān)就會(huì)有特殊的作用，通過控制這兩個(gè)變量，便可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)積分開關(guān)和限幅的功能，而并不需要重新定義結(jié)構(gòu)體。

N階節(jié)點(diǎn)的分子和分母的離散化系數(shù)和matlab計(jì)算值排列順序相同，只要復(fù)制過來，按C語言的語法添加逗號(hào)隔開即可。

3.2.2 多項(xiàng)式擬合

一個(gè)閉環(huán)控制框圖中，會(huì)出現(xiàn)不同階次的多項(xiàng)式擬合，改進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)中，提取多項(xiàng)式擬合的共同特征，把多項(xiàng)式系數(shù)和階次作為多項(xiàng)式擬合函數(shù)的輸入?yún)?shù)，從而實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)式擬合運(yùn)算的封裝。嵌入式程序的實(shí)現(xiàn)步驟如下所示。

//角位移反饋輸入采樣后擬合系數(shù)

//4階擬合，系數(shù)排列順序和matlab計(jì)算值相同

float fPolyCoefs_JiaoWeiYi[5]={0.00000146029， 0.0190893， 0.0000507086，＼

0.0000029009， 0.00000009069347）;

，/角位移傳感器4階擬合V.> Rad輸入為電壓，擬合后為弧度

fFeedbackjiaoWeiYiRad= Polyval（fPolyCoefsJiaoWeiYi，fFeedbackjiaoWeiYi_V，4）;

3.2.3 三冗余表決

三冗余表決的執(zhí)行步驟比起N階環(huán)節(jié)和多項(xiàng)式擬合要簡單的多，改進(jìn)后的模塊化設(shè)計(jì)中，把三冗余表決運(yùn)算封裝成了函數(shù)。嵌入式程序的實(shí)現(xiàn)步驟如下。

//三冗余多數(shù)表決

fFeedbackjiaoWeiYi_Binary=

TripleRedundancyVote（giAcquisitionjiaoWeiYiData[i] [O]，

g_iAcquisitionjiaoWeiYiData[i] [1]，

g_iAcquisitionjiaoWeiYiData[i][2]）;

4 結(jié)論

在完全采用模塊化設(shè)計(jì)方法后，伺服系統(tǒng)嵌入式控制軟件的編寫和調(diào)試時(shí)間縮短不少，因軟件編寫失誤而導(dǎo)致的伺服系統(tǒng)開環(huán)事件大大減少，在提高效率節(jié)省資源的同時(shí)，也提高了伺服控制軟件的可靠性。

伺服系統(tǒng)當(dāng)前正向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，采用數(shù)字伺服控制器的型號(hào)越來越多，控制算法也越來越復(fù)雜，這種面向結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)方法將越來越多地應(yīng)用于各型號(hào)中。

參考文獻(xiàn)

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