基于LabVIEW的位標器電位器測角標定系統

荊濤

（西安電子工程研究所 控制工程部，陜西 西安 710100）

1 引言

在位標器伺服控制系統中，常采用精密電位器作為角位移傳感器，這是由于其具有接口電路簡單和體積小的優點，但由于電位器輸出非線性和隨機噪聲的影響，其輸出電壓與真實角度呈非線性對應關系，必須經過標定才能輸出準確的角度值［1］。為了簡化標定過程并提高精度，筆者開發了一款基于LabVIEW虛擬儀器平臺的上位機測試系統，通過對來自數字傾角傳感器的角度反饋值θx和下位機（位標器控制系統）輸出的電位器電壓反饋值Vx進行數據融合，得到了標定后的電位器角度輸出值φx與Vx之間的轉換函數Φ（V），并獲得較高的標定精度。

2 系統構成

系統由上位機測試平臺、數字傾角傳感器、下位機和位標器伺服機構（包括電位器和電機等）構成，如圖1所示。

圖1 系統組成框圖Fig.1 System basic block diagram

其中，數字傾角傳感器采用中星測控公司生產的CS－2TAS－03型雙軸傾角計，其輸出接口為RS－232，分辨率為0.01°，量程可達±75°，完全滿足位標器的角度輸出指標，下位機以TI公司C2000系列 DSP為控制核心，并結合 A／D、D／A等外圍電路以及串行通訊接口和功率驅動單元構成位標器驅動控制系統，完成位標器伺服機構的控制。下位機軟件有多種工作模式，當工作在角度標定模式下時，該軟件會自動將采集到的電位器輸出電壓Vx通過RS－485通訊接口送給計算機，計算機上運行的基于LabVIEW的測試平臺一方面接收來自下位機的Vx和來自傾角計θx的反饋值，另一方面向下位機發出置位指令，以獲得不同的Vx和θx數據點，從而完成電位器的自動標定。其中，電機與安裝傾角傳感器的平臺和電位器都通過消隙齒輪嚙合，保證了傳動環節上的剛度和線性度。

3 軟件設計

3.1 軟件功能設計

上位機軟件的主要功能為：通過計算機串口接收來自DSP的電位器電壓反饋值Vx和傾角傳感器的角度反饋值θx；將θx與預置角度值θs進行比較，進行閉環位置算法后形成角誤差指令Vs，并通過串口向DSP發送；完成所有數據點記錄后進行數據融合算法，得到從電位器輸出電壓值Vx到真實角度值φx的轉換函數Φ（V）。系統的功能流程如圖2所示。其中，e為設定的死區門限，與傾角傳感器的精度有關，本系統中取e＝0.02°，而θs的變化步長則為2°。

圖2 系統功能流程圖Fig.2 System function flowchart

3.2 控制回路設計

控制回路的功能為根據預置角度值θs和傾角傳感器的角度反饋值θx對位標器平臺的姿態進行控制，從而達到在機構平臺運動范圍內自動改變傾角傳感器輸出值的目的?？紤]到傾角傳感器的輸出帶寬和通訊延遲帶來的相位滯后［2］，我們設計了如圖3所示的上位機控制回路。

圖3 控制回路結構框圖Fig.3 Control loop block diagram

圖3中，G（s）為位標器等效傳函，系統的校正函數由W（s）和Wτ（s）組成，其中，W（s）為串聯在主回路上的PID校正環節，而Wτ（s）為并聯在G（s）兩端的超前校正環節，用以補償控制回路的相位滯后；H（s）為傾角傳感器的反饋傳函，考慮到其輸出特性，還在反饋通道上串連了絕對值為e的死區。K1為比例系數，將角誤差轉換為電壓 指令Vs，從而完成位標器平臺姿態的閉環控制。

3.3 數據融合設計

系統設計的電位器電壓輸出范圍為0～10 V，位標器平臺的運動范圍為－25°～25°，圖4給出了根據實測數據繪制的電壓V（V）與角度Φ（°）對應N（個）采樣點的輸出曲線。

由圖4可以看出，二者的對應關系Φj（V）可用n階線性多項式進行擬合［3］，即：

圖4 電壓反饋與角度反饋對應曲線Fig.4 Curves of voltage feedback vs degree feedback

對應的均方差mse為

式中：Θj為傾角傳感器輸出角度；ρj為權值。

曲線擬合的目標是使mse在指標范圍內可以達到最小?？紤]到程序運算的復雜性和傳感器特性，本系統采用的多項式模型階數為3，權值為1。

3.4 軟件實現

系統軟件基于Labview8.5平臺進行開發，用到的主要功能模塊包括：串口通訊模塊、數據采集模塊、曲線擬合模塊、人機交互模塊、數據記錄模塊和位置控制模塊，其軟件功能框圖如圖5所示。

圖5 角度標定系統軟件功能框圖Fig.5 System software function block diagram

其中，數據采集模塊對從串口獲得的數據進行變換后分別送給曲線擬合模塊、數據記錄模塊和位置控制模塊。曲線擬合模塊通過調用Lab－VIEW內部集成的廣義多項式擬合元件［4］來實現；位置控制模塊中所用的算法和指令形成通過調用表達式元件并在其中內嵌C語言實現；而數據記錄模塊則將標定過程中的反饋數據記錄到硬盤文件上；系統的操控界面如圖6所示。

圖6 系統操控界面圖Fig.6 System software interface diagram

其中，2個儀表盤分別顯示傾角傳感器輸出的方位和俯仰角度，當前的標定軸由用戶選擇，在完成一個角度的位置閉環后，系統會自動切換到下一角度值，直至完成整個運動范圍。此時標定結果（方差和系數）會在界面上顯示，標定過程結束。

4 實驗驗證

經前所述標定過程，獲得方位軸的轉換函數如下：

此時的方差mse＝0.004。為驗證該轉換函數的精確度，又將轉換后的角度輸出與傾角傳感器輸出進行對比，結果如表1所示。

表1 角度輸出對比Tab.1 Contrast of degree output

從表1可以看出，傾角傳感器的輸出與實際角度輸出值之間有著較好的一致性，且精度始終滿足方差計算值。

5 結論

綜上所述，該基于LabVIEW的位標器電位器角度標定系統具有較高的標定精度，并可顯著提高標定工作效率。但受限于傾角傳感器的輸出精度，為獲得更高的測角指標，需要更高精度的傾角傳感器，這也增加了該標定系統的硬件成本。

［1］陳書劍，徐峰，褚淵.高精度角度傳感器自動標定系統［J］.儀表技術與傳感器，2006，16（8）：15－19.

［2］Richard C Dorf，Robert H Bishop.MODERN CONTROL SYSTEMS［M］.鄒逢興，謝紅衛，張明，譯.北京：高等教育出版社，2001.

［3］李慶揚，關治，白峰杉.數值計算原理［M］.北京：清華大學出版社，2000.

［4］吳成東，孫秋野，盛科.LabVIEW虛擬儀器程序設計與應用［M］.北京：人民郵電出版社，2008.