氣動力模擬器的實(shí)時控制分析與軟件設(shè)計(jì)

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100089)

0 引言

傳統(tǒng)方式的氣動力模擬加載伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多采用一臺計(jì)算機(jī)完成其所有的功能：控制、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控管理和曲線顯示等。這種計(jì)算機(jī)控制體系結(jié)構(gòu)簡單，但計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)太重，需要處理的內(nèi)容太多，嚴(yán)重制約了系統(tǒng)性能的提高[1-4]。為實(shí)現(xiàn)高性能的控制及便捷的使用，我們采用設(shè)計(jì)上下位機(jī)兩個軟件來實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)性能測試變加載系統(tǒng)的測控系統(tǒng)。

對于基于計(jì)算機(jī)的伺服控制來說，實(shí)時性是其控制的核心，沒有實(shí)時性也就無法保證控制的順利進(jìn)行，更不用說達(dá)到高性能的指標(biāo)了,所以分成兩個軟件來實(shí)現(xiàn)整套測控系統(tǒng)軟件。計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)必須具備良好的實(shí)時性。同時，測控系統(tǒng)還必須具備人性化的操作界面，方便操作人員的使用。由此可見豐富美觀的操作界面是計(jì)算機(jī)測控軟件的一大需求，基于人們普遍對Windows圖形化界面的熟悉及歡迎，因此測控系統(tǒng)軟件的操作界面應(yīng)該具備基于Windows的圖形化表現(xiàn)形式。

從上面的分析不難得出，計(jì)算機(jī)測控軟件要具備兩個基本特征，一是控制的實(shí)時性，二是操作的人性化需求。然而這兩個特性之間又是沖突矛盾的，這是因?yàn)榫哂腥诵曰僮鹘缑娴能浖腔赪indows圖形化操作系統(tǒng)的，然而Windows操作系統(tǒng)的任務(wù)分配是通過搶占式，不具備伺服控制需求的實(shí)時性。

為了解決上述矛盾，設(shè)計(jì)采用兩臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)測控軟件的總體需求，其中一臺運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)，并基于Windows操作系統(tǒng)開發(fā)了圖形化的操作軟件，該軟件控件豐富，圖形美觀，操作簡單，類似于Windows操作風(fēng)格，為綜合管理子系統(tǒng)，它具有圖形化操作界面、能完成與人交互功能、能實(shí)現(xiàn)操作人員對系統(tǒng)的各種操作命令，并豐富的展現(xiàn)系統(tǒng)各方面數(shù)據(jù)，但它不具備實(shí)時性。第二臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)安裝具有實(shí)時性的操作系統(tǒng)，例如典型的傳統(tǒng)DOS，可用于伺服控制的程序，為實(shí)時控制子系統(tǒng)。即采用兩臺工控機(jī)分別搭建了便于操作人員使用的綜合管理子系統(tǒng)及用于伺服控制的實(shí)時控制子系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)之間采用以太網(wǎng)相連，完成命令及數(shù)據(jù)的交互。

這種體系的計(jì)算機(jī)測控軟件結(jié)構(gòu)雖然很好的滿足了系統(tǒng)需求，但是其最大的缺陷是：

第一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試繁瑣；

第二，兩臺計(jì)算機(jī)必須通過某種機(jī)制來完成數(shù)據(jù)通訊，常見的方式是采用網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，但是由于伺服系統(tǒng)性能要求很高，數(shù)據(jù)量龐大，采樣周期小于1 ms，甚至0.5 ms以下，網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸造成的計(jì)算機(jī)資源占用成為壓縮采用周期的最大瓶頸，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)性能。

隨著信息科技的進(jìn)步及計(jì)算機(jī)性能的大幅提升，一種基于實(shí)時操作系統(tǒng) (Real-Time Extension，RTX)的Windows實(shí)時操作系統(tǒng)技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述缺點(diǎn)提供了有力的支持。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是，其基本架構(gòu)仍然是Windows操作系統(tǒng)，因此它仍然具備Windows操作系統(tǒng)所具有的圖形化設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，同時它將具有實(shí)時性的RTX技術(shù)嵌入到Windows操作系統(tǒng)中來，使得Windows操作系統(tǒng)在保留其自身優(yōu)勢的同時具備了在特定條件下的實(shí)時性。利用這一技術(shù)，我們采用單臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)就可以搭建我們所需求的綜合管理子系統(tǒng)和實(shí)時控制子系統(tǒng)了。綜合管理子系統(tǒng)仍然運(yùn)行在Windows環(huán)境下，具有豐富美觀的操作界面。實(shí)時控制子系統(tǒng)運(yùn)行在RTX環(huán)境下，具備了實(shí)時性特征，二者之間的通信不必再用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，而是直接采用RTX所提供的共享內(nèi)存機(jī)制，在一臺計(jì)算機(jī)上通過內(nèi)存的共享模式方便的實(shí)現(xiàn)了命令及數(shù)據(jù)的交互。

1 軟件總體結(jié)構(gòu)

空氣動力加載系統(tǒng)應(yīng)用在飛行器空氣動力學(xué)半實(shí)物仿真平臺試驗(yàn)中，其實(shí)際功能主要有硬件在環(huán)的半實(shí)物仿真、控制信號生成與數(shù)據(jù)分析、以及空天飛行器舵面作動機(jī)構(gòu)的獨(dú)立測試。本軟件系統(tǒng)，首先要實(shí)現(xiàn)與半實(shí)物仿真系統(tǒng)的通信，接收系統(tǒng)發(fā)送來的測試指令；然后要有合適的人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，控制參數(shù)的錄入，和數(shù)據(jù)的保存；還要有對加載臺體各傳感器信號的采集與處理；最重要的是對加載作動元件的實(shí)時控制，當(dāng)然其內(nèi)部必須內(nèi)置有先進(jìn)的控制方法，用來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制指令的解算與生成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

圖1 測控系統(tǒng)軟件整體方案圖

該測控系統(tǒng)由兩部分組成：綜合管理子系統(tǒng)和實(shí)時控制子系統(tǒng)。

采用綜合管理子系統(tǒng)與實(shí)時控制子系統(tǒng)這種功能分布式結(jié)構(gòu)形式可以很好地克服單個程序的缺點(diǎn)。將底層功能進(jìn)行分工，綜合管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、主要的控制參數(shù)的調(diào)整，數(shù)據(jù)通過共享內(nèi)存機(jī)制下載到實(shí)時控制子系統(tǒng)中，解放出實(shí)時控制子系統(tǒng)，使其能夠以更小的控制周期完成控制任務(wù)。整個綜合管理子系統(tǒng)采用Windows操作系統(tǒng)，具有非常友好的界面；實(shí)時控制子系統(tǒng)采用RTX實(shí)時控制平臺，可以直接應(yīng)用中央處理器(CPU)的硬件定時周期，令采樣周期變短，同時，實(shí)時控制子系統(tǒng)只需一個顯示當(dāng)前狀態(tài)的監(jiān)視界面即可。當(dāng)軟件調(diào)試完成后，實(shí)時控制子系統(tǒng)可以完全脫離監(jiān)視器而運(yùn)行。實(shí)時控制子系統(tǒng)的所有操作都可以通過綜合管理子系統(tǒng)來完成。這樣不但可以減輕計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，也可以實(shí)現(xiàn)良好的界面，從而是操作更加簡單，直觀。

綜合管理子系統(tǒng)和油源虛擬儀表軟件采用均是基于Lab Windows/CVI開發(fā)而成，Lab Windows/CVI是基于C語言實(shí)現(xiàn)，易于根據(jù)需要拓展軟件功能該編程軟件集成了豐富的界面及控件，用戶使用方便。使用該軟件設(shè)計(jì)的綜合管理子系統(tǒng)程序界面美觀、控件采用虛擬化儀表形式，靈活易用，貼近實(shí)際，操作簡單，從該程序可以方便快捷的實(shí)現(xiàn)如下功能集：

1)加載開始、位置和力矩的歸零、加載停止、記錄數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、程序退出等命令集。

2)通道選擇、指令幅值、指令頻率，指令波形、測試類型等指令集。

3)參數(shù)設(shè)定、參數(shù)整定、參數(shù)保存、曲線顯示、誤差監(jiān)控等功能集。

實(shí)時控制子系統(tǒng)是基于RTX的Windows實(shí)時操作系統(tǒng)，采用VC++以及RTX編寫?；赗TX的實(shí)時控制子系統(tǒng)是保證程序完成實(shí)時控制的核心，是伺服控制的中樞，其主要完成接受來自綜合管理子系統(tǒng)的命令集及指令集，通過實(shí)時數(shù)據(jù)采樣，計(jì)算加載系統(tǒng)的跟蹤誤差，經(jīng)由復(fù)合控制算法，得到控制量，并將控制量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡轉(zhuǎn)化成模擬量，驅(qū)動加載控制器形成伺服閥的驅(qū)動電流，進(jìn)而控制加載系統(tǒng)跟隨指令，完成控制動作[6]]。在完成伺服控制的同時，實(shí)時控制子系統(tǒng)同時還將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給綜合管理子系統(tǒng)，綜合管理子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與顯示。

2 綜合管理子系統(tǒng)軟件

綜合管理子系統(tǒng)是加載控制系統(tǒng)的總控，和總管級，作為人機(jī)交互與數(shù)據(jù)后處理的實(shí)現(xiàn)部分。交互功能包括系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)的顯示與監(jiān)控，控制參數(shù)的錄入，系統(tǒng)工況選擇，與系統(tǒng)的啟停等。綜合管理人機(jī)交互子系統(tǒng)基于Lab Windows/CVI開發(fā)。

2.1 綜合管理子系統(tǒng)綜述

軟件主要功能如圖2所示。

圖2 綜合管理子系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)有靜止加載、對頂加載、運(yùn)動演示及半實(shí)物仿真四種測試模式。下面分別解釋各工作狀態(tài)的意義。

1)運(yùn)動演示：運(yùn)動演示是對各個通道獨(dú)立進(jìn)行位置控制，可以用來查看通道本身的物理狀態(tài)和查看舵機(jī)加載器的位置控制精度。

2)靜止加載：靜止加載是用來檢驗(yàn)系統(tǒng)無擾時的工作性能，考核系統(tǒng)的無擾頻寬和力矩跟蹤精度等情況。

3)對頂加載：對頂加載是在沒有舵機(jī)的情況下檢驗(yàn)系統(tǒng)的動態(tài)性能，包括系統(tǒng)的消除多余力、動態(tài)頻帶等。

4)半實(shí)物仿真測試：仿真測試是和舵機(jī)一起進(jìn)行半實(shí)物仿真的控制，完成和仿真計(jì)算機(jī)通訊，接受載荷指令完成加載的功能。

圖3為綜合管理子系統(tǒng)的程序流程圖，系統(tǒng)首先要創(chuàng)建與實(shí)時控制系統(tǒng)通訊用的共享內(nèi)存，然后設(shè)定參數(shù)值，控制實(shí)時程序啟動。而每次定時器函數(shù)觸發(fā)，則運(yùn)行(b)流程，把共享內(nèi)存中的各種采集數(shù)據(jù)讀取出來并顯示。

圖3 綜合管理子系統(tǒng)程序流程

綜合管理子系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 綜合管理子系統(tǒng)加載試驗(yàn)監(jiān)控界面

四個測試界面采用相似的界面布局和功能設(shè)置，

每一測試界面分為四個區(qū)域，分別是指令波形與采樣波形顯示區(qū)(下簡稱波形顯示區(qū))、通道設(shè)置與參數(shù)設(shè)置區(qū)(下簡稱設(shè)置區(qū))、操作區(qū)、油源監(jiān)控區(qū)。波形顯示區(qū)由四塊示波圖組成，每一示波圖具有通道選項(xiàng)、Y坐標(biāo)選項(xiàng)和波形內(nèi)容標(biāo)簽等狀態(tài)參數(shù)，示波圖顯示實(shí)時的指令波形或者采樣波形。左側(cè)兩圖分別顯示力矩指令與力矩采樣波形、角度指令與角度采樣波形，右側(cè)兩圖顯示的波形可根據(jù)內(nèi)容選項(xiàng)選擇。各圖的波形顏色與標(biāo)簽文字一致，如指令波形為白色，采樣波形為紅色。通道選項(xiàng)可選擇所要顯示的通道波形，且具有四圖聯(lián)動的特點(diǎn)。Y坐標(biāo)選項(xiàng)可根據(jù)波形幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，波形幅值將進(jìn)行相應(yīng)比例的放大或縮小。

設(shè)置區(qū)包括通道設(shè)置和控制參數(shù)設(shè)置，點(diǎn)擊區(qū)域左側(cè)相應(yīng)的標(biāo)簽進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通道標(biāo)簽中包含相同的設(shè)置內(nèi)容，啟動前可進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。通道標(biāo)簽與波形顯示區(qū)通道選項(xiàng)有聯(lián)動特點(diǎn)，保證激活的通道標(biāo)簽與波形顯示內(nèi)容一致。

操作區(qū)包括三項(xiàng)系統(tǒng)操作和三項(xiàng)數(shù)據(jù)操作。在結(jié)束數(shù)據(jù)記錄并保存后可通過數(shù)據(jù)回放按鈕，設(shè)置回放軟件路徑并打開軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和結(jié)果分析。

數(shù)據(jù)重現(xiàn)與處理子系統(tǒng)有著完整功能，預(yù)留了與主系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，其界面如圖5所示。

圖5 綜合管理子系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)處理窗口

綜合管理子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定模塊如圖6所示。

圖6 指令及參數(shù)設(shè)定界面

2.2 油源虛擬儀表軟件

油源是電液負(fù)載模擬器系統(tǒng)的能量之源。油源的穩(wěn)定運(yùn)行是加載系統(tǒng)加載精度的保證也事關(guān)系統(tǒng)的整體安全，對油源壓力、溫度等各種參數(shù)的準(zhǔn)確及時的測量和監(jiān)控是控制系統(tǒng)必須的基本功能[8]。同時由于安全性考慮，遠(yuǎn)程虛擬操作能力也是油源控制軟件必備功能。

油源虛擬儀表軟件能夠?qū)崿F(xiàn)油源控制器上的全部操作與監(jiān)控功能，可以植入到遠(yuǎn)程控制終端上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的油源管理、監(jiān)控與操作。

油源虛擬儀表軟件仍然采用LabWindows/CVI編寫。

油源虛擬儀表軟件的主界面如圖7所示。

圖7 油源虛擬儀表軟件的主界面

油源控制面板包括壓力設(shè)定區(qū)、壓力溫度指示區(qū)、狀態(tài)記錄區(qū)、狀態(tài)警示區(qū)和油源控制區(qū)。選擇串口正確后，即可對油源壓力進(jìn)行設(shè)定，對油源進(jìn)行控制，相應(yīng)的操作在系統(tǒng)狀態(tài)欄中都會有提示。

3 實(shí)時控制子系統(tǒng)軟件

實(shí)時控制子系統(tǒng)是運(yùn)動伺服控制系統(tǒng)的直接控制中樞，用以構(gòu)成多個通道回路的控制。

實(shí)時控制子系統(tǒng)軟件采用美國Ardence開發(fā)的RTX應(yīng)用，通過VC++編寫相應(yīng)的控制程序，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制與信息采集。

RTX實(shí)時擴(kuò)展內(nèi)核是Windows平臺上的實(shí)時解決方案，在Windows下的RTSS(實(shí)時擴(kuò)展子系統(tǒng))中運(yùn)行RTSS程序，可以達(dá)到0.1ms的定時步長，能夠達(dá)到很高的實(shí)時性。通過RTX提供的共享內(nèi)存機(jī)制，可以十分方便的把RTSS實(shí)時進(jìn)程采集的數(shù)據(jù)和輸出的指令提供給其他的Windows進(jìn)程

實(shí)時控制子系統(tǒng)軟件主要功能模塊如圖8所示。

其中綜合測試單元通訊模塊可根據(jù)用戶需求定制。

圖8 實(shí)時控制子系統(tǒng)模塊分析

實(shí)時控制子系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，子模塊各自單獨(dú)測試，設(shè)計(jì)效率可提升，各子系統(tǒng)功能模塊如下。

1)板卡驅(qū)動模塊：主要完成初始化各板卡功能。

2)數(shù)據(jù)采集模塊：主要完成平臺各傳感器數(shù)據(jù)采集功能。

3)控制算法模塊：封裝了各種常用控制算法。

4)控制輸出模塊：主要完成將控制量輸出至驅(qū)動器功能。

5)定時器模塊：主要程序主定時器，完成實(shí)時功能。

6)共享內(nèi)存模塊：主要完成綜合管理子系統(tǒng)與實(shí)時控制子系統(tǒng)通信功能。

7)實(shí)時控制主程序模塊：調(diào)用各模塊，完成實(shí)時控制需求。

圖9為實(shí)施控制子系統(tǒng)的程序流程圖，(a)中為主程序，主要是把共享內(nèi)存內(nèi)各種參數(shù)讀取并使用，然后令定時器開始工作。(b)中為中斷運(yùn)行程序，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制算法的運(yùn)行以及控制指令的輸出并把采集的數(shù)據(jù)傳到共享內(nèi)存中。

圖9 實(shí)時控制子系統(tǒng)程序流程

4 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

此負(fù)載模擬系統(tǒng)軟件功能上和技術(shù)上具有如下鮮明的特點(diǎn)：

1)多通道平行測控；可同時為多達(dá)4個通道同時提供測控，大大增加了應(yīng)用場景，可服務(wù)于多種飛行器對象，提高系統(tǒng)效率。

2)高速的多路A/D、D/A數(shù)據(jù)采集與控制，采樣精度高，采集效果好；

3)豐富的通信接口驅(qū)動，支持CAN總線，以及短距大快速大數(shù)據(jù)傳遞最常用的VMIC實(shí)時網(wǎng)絡(luò)，還能支持RS422協(xié)議。豐富的通信接口大大方便了加載系統(tǒng)與仿真計(jì)算機(jī)的通信；

首先，氣動力模擬加載伺服系統(tǒng)是一種較大型系統(tǒng)，而且要應(yīng)用到半實(shí)物仿真的分布式系統(tǒng)中，業(yè)內(nèi)公認(rèn)的大型分布式系統(tǒng)的實(shí)時通信連接方式就是VMIC實(shí)時網(wǎng)絡(luò)方法，利用VMIC實(shí)時網(wǎng)絡(luò)將負(fù)載模擬、仿真計(jì)算機(jī)、轉(zhuǎn)臺和導(dǎo)航等各個分系統(tǒng)連接起來，可以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的快速傳遞；同時，CAN總線接口是標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線形式，可實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)，搭建的系統(tǒng)可靈活擴(kuò)充，且對于工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾有很好的屏蔽能力，也沒有模擬信號的長距離衰減問題，因此應(yīng)用廣泛；本系統(tǒng)還配備了備用串并口接口，對于無法使用VMIC及CAN總線的實(shí)驗(yàn)對象，可以使用該接口通訊，同時，串并口接口也可作為測試儀器的接口，用來實(shí)時采集加載系統(tǒng)的主要測試參數(shù)，或者作為一個輸入接口，可接收其他串并口設(shè)備的測試信號。

4)先進(jìn)的多種現(xiàn)代控制、智能控制等計(jì)算機(jī)控制算法工具箱；

程序中提供了多種控制算法工具箱，既有經(jīng)典的PID控制算法，也有各種非線性對象控制算法，包括Fuzzy控制、魯棒控制以及現(xiàn)代智能控制算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，便于實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)不同的加載對象和加載需要使用不同的算法。

5)綜合管理子系統(tǒng)和實(shí)時控制子系統(tǒng)由于使用同一工控機(jī)，兩者之間共享內(nèi)存，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性更好，連接無時延。

6)直觀簡潔的人機(jī)交互界面：綜合管理子系統(tǒng)采用窗口化顯示，數(shù)據(jù)顯示清晰，控制功能齊全，參數(shù)輸入方便，充分考慮了人機(jī)工程，可大大增加實(shí)驗(yàn)人員的測試效率。

7)完整的測試、采樣、數(shù)據(jù)存儲、信號分析和處理技術(shù);

本加載系統(tǒng)軟件還提供了數(shù)據(jù)存儲功能和后期數(shù)據(jù)處理功能，包括眾多數(shù)據(jù)處理與分析方法，極大地增加了系統(tǒng)便利性，為研究人員的數(shù)據(jù)使用和分析提供了非常方便的手段，避免用戶導(dǎo)出數(shù)據(jù)和使用其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的繁瑣過程。

8)充分考慮了數(shù)據(jù)的后續(xù)深度處理；

本控制軟件里的數(shù)據(jù)分析功能有限，考慮后續(xù)的數(shù)據(jù)深度處理分析，因此數(shù)據(jù)可保存為各種主流數(shù)據(jù)處理軟件支持的格式，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理?？梢灾С諱atlab和Labview兩種數(shù)據(jù)處理軟件，足夠研究人員進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與分析。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中決勝的關(guān)鍵往往是先進(jìn)的、精確的制導(dǎo)武器技術(shù)，其攔截、突防和精確打擊能力是衡量武器系統(tǒng)水平的重要標(biāo)志，"精確性"是武器性能的核心，飛行器的姿態(tài)和軌跡控制是關(guān)鍵，這個過程是靠飛行器舵面所受氣動載荷調(diào)節(jié)完成的，氣動力負(fù)載模擬器是飛行器地面試驗(yàn)必備設(shè)備，主要用于提高武器精確打擊準(zhǔn)確性的試驗(yàn)中，對提高武器打擊精度意義重大。本氣動力模擬器控制系統(tǒng)軟件，采用上下位機(jī)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了簡潔的控制架構(gòu)，控制周期可以達(dá)到微秒級，滿足了模擬器系統(tǒng)實(shí)時加載的需求，提高了半實(shí)物仿真的可信度，為先進(jìn)控制算法的實(shí)用化建立了基礎(chǔ)。