高中信息技術(shù)教學論文回路硬件仿真技術(shù)在直升機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、回路硬件仿真技術(shù)在直升機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用軟、硬件的并行開發(fā)方法可以加快設(shè)計進程，但在系統(tǒng)整合時常常出現(xiàn)很多問題，而硬件回路仿真能有效解決這些問題，采用該技術(shù)可以在開發(fā)周期初完成嵌入式軟件仿真。本文以HIL技術(shù)在實驗性動態(tài)直升機系統(tǒng)用嵌入式控制軟件中的應(yīng)用為例闡述該技術(shù)的應(yīng)用特點和方法。align=RIGHTVSPACE=12HSPACE=12ALT=圖1:直升機前視圖和側(cè)視圖。 設(shè)計工程師一直在努力縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，而軟硬件并行開發(fā)就是一種比較好的方法。通常這種方法需要多個獨立的軟硬件開發(fā)小組參與，這些小組的工作相互間獨立、并行地進行。當原型硬件和嵌入式代碼的主要部分實現(xiàn)后，就可以在系統(tǒng)整合

2、階段將硬件與軟件合并起來并開始測試工作。 在系統(tǒng)整合時經(jīng)常會發(fā)生嚴重的問題，有些問題甚至會導致軟件或硬件的重新設(shè)計。在問題成堆發(fā)生、成本持續(xù)升高或計劃拖延太久的情況下，有可能中斷設(shè)計項目，有時甚至不得不取消項目。因此，人們需要找到更好的方法來解決這些問題。 回路硬件(hardware-in-the-loop，HIL)仿真被證明是一種有效的解決方法。該技術(shù)能確保在開發(fā)周期早期就完成嵌入式軟件的測試。到系統(tǒng)整合階段開始時，嵌入式軟件測試就要比傳統(tǒng)方法做得更徹底更全面。這樣可以及早地發(fā)現(xiàn)問題，因此降低了解決問題的成本。 本文所要討論的就是采用了HIL仿真的一個嵌入式軟件開發(fā)項目。該項目的目標是開發(fā)和

3、測試實驗性動態(tài)“直升機”系統(tǒng)用的嵌入式控制軟件。有了HIL仿真后，人們無需使用除嵌入式處理器及其I/O接口外的任何硬件就能完成該控制器軟件的設(shè)計和測試。 隨后的實際系統(tǒng)硬件與運行新軟件的嵌入式控制器的連接首次便獲得成功。在硬件、軟件整合階段唯一要做的額外工作是對一些控制器參數(shù)的少量調(diào)整，這是由于實際系統(tǒng)硬件與其仿真模型之間畢竟存在差異。 直升機系統(tǒng) 本項目需要開發(fā)適合Quanser3自由度(3DOF)直升機的控制器軟件。這是一個桌面電磁系統(tǒng)，內(nèi)含由兩個獨立電子馬達控制的3個旋轉(zhuǎn)軸，每個軸驅(qū)動一個推進器。圖1是直升機系統(tǒng)及其運動軸的框圖。align=RIGHTVSPACE=12HSPACE=12

4、ALT=圖2:直升機控制系統(tǒng)。 假設(shè)傾斜軸的傾角接近零度，在對兩個馬達施加相同的高電壓后直升機會垂直向上攀升。對兩個馬達施加不同的電壓會使直升機繞傾斜軸旋轉(zhuǎn)。為了使直升機向前移動，首先需要將直升機傾斜到一個非零角度，然后對兩個馬達同時施加適當?shù)碾妷簛懋a(chǎn)生向前的推力。 如圖2所示，系統(tǒng)采用的控制計算機具有3個位置編碼器輸入信號、兩個馬達電壓輸出信號，以及用于模式選擇與操縱桿控制的用戶輸入信號?？刂朴嬎銠C通過專門設(shè)計的接口卡接收位置編碼器輸入信號，同時產(chǎn)生模擬輸出電壓，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)動那兩個馬達。為了提供足夠大的馬達工作電流，DAC的輸出需要連接到隨后的功率放大器進行放大。 位置編碼

5、器會隨時監(jiān)測每個軸的運動，這些編碼器通過光學原理感知旋轉(zhuǎn)運動并產(chǎn)生數(shù)字化的角度位置數(shù)值。位置編碼器將以每3604096個步距，或0.08789的量化步距分辨率對這些數(shù)值進行量化。每個編碼器的輸出信號由兩個TTL電平組成，即PhaseA和PhaseB，當對應(yīng)軸反轉(zhuǎn)時輸出信號就在這兩個高低電平之間來回切換。根據(jù)這兩個信號之間的相位差可以判斷每個軸的運動方向，如圖3所示。脈沖頻率正比于每個軸的旋轉(zhuǎn)速率。 直升機控制器的性能指標滿足要在一定時間內(nèi)將前進和上升軸移動到任意一個指定位置，時間一般應(yīng)控制在10秒以內(nèi)。此外，直升機控制器的軟件必須支持其它一些操作模式。全套控制器操作模式包括： 關(guān)閉模式:ali

6、gn=RIGHTVSPACE=12HSPACE=12ALT=圖3:位置編碼器輸出信號。 控制器軟件以關(guān)閉模式啟動，此時兩個馬達上的電壓為零。一旦系統(tǒng)離開這個模式，就只能從空(Null)模式再次進入該模式。當從空模式進入關(guān)閉模式時，需要控制上升軸緩慢地下降到桌面正上方，然后將馬達電壓設(shè)置為零。 空模式: 當從關(guān)閉模式轉(zhuǎn)變到該模式時，首選要給馬達上電，并控制所有軸到零位置。如果從其它模式轉(zhuǎn)變到空模式，那么只需要將所有軸控制到零位置。零位置是指傾斜軸和前進軸在系統(tǒng)啟動位置，而推進組件被抬舉到上升方向的水平位置，如圖1所示。 隨機模式: 在10秒時間間隔內(nèi)為前進和上升軸位移命令產(chǎn)生預定義范圍內(nèi)的一個新

7、隨機值，然后由控制器軟件將直升機移動到相應(yīng)的位置。 自動駕駛模式: 在這種模式下，由操縱桿產(chǎn)生控制器所需的上升和水平行進命令。通過操縱桿的前后動作控制上升位置，通過左右動作來控制水平位置?？刂破魍ㄟ^移動直升機來跟隨命令所指定位置。 手動模式: 在手動模式下，操縱桿直接產(chǎn)生馬達驅(qū)動用的電壓和與電壓差。操縱桿前后動作控制兩個馬達電壓的和，左右運動控制兩個馬達電壓的差。在這種模式下系統(tǒng)特別難以控制，如果任何軸的運動超過了某個位置限制，控制器就會自動切換到空模式。通常，在進入該模式后的幾秒鐘內(nèi)可能產(chǎn)生違反限制的問題。 在確定系統(tǒng)功能和性能要求后，可以進行控制器軟件的開發(fā)和測試。而仿真技術(shù)的應(yīng)用可以加快

8、直升機控制器軟件的開發(fā)和測試速度。 項目規(guī)范 為了對嵌入式軟件進行HIL仿真測試，需要使用嵌入式處理器及其附屬I/O器件。對于許多嵌入式系統(tǒng)來說，這只是整個系統(tǒng)的一小部分，可以在早期開發(fā)階段實現(xiàn)組合?？梢詣?chuàng)建一個直升機硬件及其與外部環(huán)境交互的仿真，并通過控制器的I/O接口把這個仿真與嵌入式控制器連接起來。嵌入式控制器和直升機仿真就如同實際系統(tǒng)一樣工作。 在復雜的嵌入式產(chǎn)品開發(fā)早期，經(jīng)常需要仿真一個完整系統(tǒng)在預期環(huán)境中的運行。這種利用動態(tài)系統(tǒng)仿真工具，如Simulink開發(fā)的仿真系統(tǒng)通常不是實時的，但可以作為HIL仿真的基礎(chǔ)。某些時候需要對這些仿真系統(tǒng)中包含的模型進行簡化和優(yōu)化，使之適合實時仿真

9、使用。不過在本項目中不需要修改這些模型。 復雜系統(tǒng)仿真需要用到許多高級的數(shù)學算法，但可以采用專門的軟件工具來簡化任務(wù)：Simulink是MATLAB的一個附件，它可以用來提供以框圖為主的圖形環(huán)境下的動態(tài)系統(tǒng)仿真。用Simulink進行仿真的方法是先把“調(diào)色板”上的模塊拖到繪畫區(qū)域，然后用代表信號流向的直線把這些模塊連接起來。圖4就是直升機項目中采用的位置編碼模型的Simulink框圖，該模型把以弧度表示的角度位置作為其輸入信號，并產(chǎn)生PhaseA和PhaseB信號作為其輸出。另外，它還輸出指示信號，用來指示相應(yīng)軸到達零位置的時刻。直升機位置編碼器不會產(chǎn)生指示信號輸出，因此不使用該Simulin

10、k模型的輸出。 Stateflow是Simulink的一個附件，用以實現(xiàn)有限狀態(tài)機模型。在這個直升機項目中，Stateflow模型用來實現(xiàn)直升機模式選擇邏輯。 Real-TimeWorkshop根據(jù)Simulink框圖產(chǎn)生C代碼，其它工具需要使用這些代碼來達成編譯與執(zhí)行目標。在本項目中，其它工具包括Real-TimeWindowsTarget和xPCTarget。 Real-TimeWindowsTarget允許仿真的編譯與執(zhí)行作為PC機Windows系統(tǒng)中的一個實時進程，能與Windows操作系統(tǒng)同時運行。在本項目中，Real-TimeWindowsTarget執(zhí)行的是HIL系統(tǒng)仿真，所用主

11、機正是開發(fā)和控制直升機軟件的計算機。align=RIGHTVSPACE=12HSPACE=12ALT=圖5:直升機和控制器模型。 xPCTarget允許在PC機上執(zhí)行仿真，此時PC機的功能如同專門的實時控制器。xPCTarget還提供實時的多任務(wù)內(nèi)核供只有有限硬件資源的嵌入式處理器使用。xPCTarget在本項目中用來在一臺獨立PC上產(chǎn)生和執(zhí)行直升機控制器用的實時代碼，此時該PC機就用作“嵌入式”控制器。 仿真開發(fā) 控制器軟件開發(fā)的第一步是實現(xiàn)對整個直升機控制器系統(tǒng)的仿真，圖5給出了仿真的頂層框圖。其中兩個較大的方框分別表示直升機系統(tǒng)本身和數(shù)字控制器，兩個較小的帶有“操縱桿”和“模式命令”標簽的方框向控制器提供用戶輸入信號。圖5中的“直升機”框圖包含有直升機動態(tài)行為的Simulink模型，如圖6所示。從圖6可以看到，該模型采用了轉(zhuǎn)移函數(shù)、求和函數(shù)和積分器等多個Simulink模塊。帶“有限運動”標簽的模塊包含有一個受限于向下靠近桌面方