高中信息技術教學論文回路硬件仿真技術在直升機控制系統(tǒng)中的應用

1、回路硬件仿真技術在直升機控制系統(tǒng)中的應用軟、硬件的并行開發(fā)方法可以加快設計進程，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，采用該技術可以在開發(fā)周期初完成嵌入式軟件仿真。本文以HIL技術在實驗性動態(tài)直升機系統(tǒng)用嵌入式控制軟件中的應用為例闡述該技術的應用特點和方法。align=RIGHTVSPACE=12HSPACE=12ALT=圖1:直升機前視圖和側視圖。 設計工程師一直在努力縮短新產品開發(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)，內含由兩個獨立電子馬達控制的3個旋轉軸，每個軸驅動一個推進器。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。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通過專門設計的接口卡接收位置編碼器輸入信號，同時產生模擬輸出電壓，并通過數(shù)模轉換器(DAC)驅動那兩個馬達。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運動并產生數(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，當對應軸反轉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速率。 直升機控制器的性能指標滿足要在一定時間內將前進和上升軸移動到任意一個指定位置，時間一般應控制在10秒以內。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，然后將馬達電壓設置為零。 空模式: 當從關閉模式轉變到該模式時，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秒時間間隔內為前進和上升軸位移命令產生預定義范圍內的一個新

7、隨機值，然后由控制器軟件將直升機移動到相應的位置。 自動駕駛模式: 在這種模式下，由操縱桿產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，操縱桿直接產生馬達驅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可能產生違反限制的問題。 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。而仿真技術的應用可以加快

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。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：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，用來指示相應軸到達零位置的時刻。直升機位置編碼器不會產生指示信號輸出，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內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