直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)

郭雯雯，馬慧敏，2，龔 錚

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009;2.航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽 471009)

在導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的開發(fā)過程中，當(dāng)系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)完成后，可以通過MATLAB/Simulink進(jìn)行數(shù)字仿真驗(yàn)證。但由于Simulink仿真大多為非實(shí)時(shí)仿真，且模型中的硬件環(huán)節(jié)只能利用數(shù)學(xué)模型模擬，使得其對于一些仿真實(shí)時(shí)性要求較高的場合，如存在數(shù)據(jù)采集、串口通信等實(shí)時(shí)仿真任務(wù)時(shí)，往往達(dá)不到預(yù)期的理想控制效果，同時(shí)由于建模的不精確以及干擾等其他因素，基于數(shù)學(xué)模型的數(shù)字模擬仿真環(huán)境，無法真實(shí)地反映系統(tǒng)的實(shí)際情況。為使設(shè)計(jì)精確，設(shè)計(jì)師必須不斷對自身的設(shè)計(jì)做出調(diào)整，導(dǎo)致設(shè)計(jì)反復(fù)，研究效率偏低，開發(fā)周期過長，因此迫切需要開發(fā)新的驗(yàn)證設(shè)計(jì)手段以適應(yīng)實(shí)時(shí)仿真要求。

快速原型系統(tǒng)仿真是實(shí)時(shí)仿真的一種，它處于產(chǎn)品研發(fā)的算法設(shè)計(jì)階段與具體實(shí)現(xiàn)階段之間，是產(chǎn)品研制過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)研制早期，產(chǎn)品硬件還沒有完成設(shè)計(jì)，由實(shí)時(shí)仿真設(shè)備模擬系統(tǒng)的控制部件，然后將控制算法加載到實(shí)時(shí)仿真設(shè)備中，通過快速原型系統(tǒng)在實(shí)時(shí)環(huán)境驗(yàn)證控制算法的性能。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，在回路中通過真實(shí)的物理接口與硬件產(chǎn)品連接，對實(shí)際產(chǎn)品的各項(xiàng)功能、性能進(jìn)行集成和測試。

1 基于RT-LAB的控制系統(tǒng)快速原型開發(fā)

1.1 快速原型開發(fā)平臺系統(tǒng)組成

制導(dǎo)控制系統(tǒng)快速原型開發(fā)平臺由原型開發(fā)系統(tǒng)和通用轉(zhuǎn)換裝置兩部分組成。其硬件由1個(gè)RT-LAB仿真主機(jī)和3個(gè)RT-LAB仿真目標(biāo)機(jī)組成。主機(jī)是模型開發(fā)和系統(tǒng)仿真運(yùn)行的任務(wù)管理平臺?？刂葡到y(tǒng)的模型開發(fā)在主機(jī)上完成。主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間通過TCP/IP連接，仿真目標(biāo)機(jī)之間通過IEEE-1394連接。

快速原型開發(fā)平臺組成如圖1所示。仿真主機(jī)與主機(jī)上安裝的RT-LAB仿真軟件以及實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)對應(yīng)到原型開發(fā)平臺。HILBOX是針對快速原型開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用接口，并作為獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)接入原型開發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型與外部系統(tǒng)實(shí)物之間的I/O或數(shù)據(jù)通訊，實(shí)時(shí)目標(biāo)仿真機(jī)的輸入、輸出信號經(jīng)過該設(shè)備調(diào)理后同外部物理部件的信號相匹配。它是一種特殊的RT-LAB仿真目標(biāo)機(jī)。HILBOX信號調(diào)理機(jī)箱對應(yīng)到快速原型開發(fā)平臺的通用轉(zhuǎn)換裝置。在RT-LAB仿真目標(biāo)機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了信號調(diào)理功能，將現(xiàn)場參試實(shí)物的信號調(diào)理成目標(biāo)機(jī)上的I/O卡能夠直接處理的信號，或者將目標(biāo)機(jī)上的I/O卡的信號調(diào)理成能夠驅(qū)動(dòng)實(shí)物的信號。

圖1 制導(dǎo)控制系統(tǒng)快速原型開發(fā)平臺系統(tǒng)

1.2 模型開發(fā)

利用RT-LAB對系統(tǒng)仿真軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)，首先要在Matlab/Simulink環(huán)境下，對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并對模型做預(yù)處理，然后通過RT-LAB對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分割處理、編輯、C代碼編譯、代碼生成等步驟，轉(zhuǎn)換為可在實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的實(shí)時(shí)代碼，最后進(jìn)行加載運(yùn)行即可完成。

快速原型開發(fā)平臺選擇QNX 6.x作為目標(biāo)平臺。通過調(diào)用Matlab中的實(shí)時(shí)工作空間RTW來產(chǎn)生Simulink模型的C代碼，在目標(biāo)機(jī)中將C代碼編譯鏈接，即可形成RT-LAB可執(zhí)行目標(biāo)程序。在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，主機(jī)和目標(biāo)機(jī)兩者之間的通信以命令幀和響應(yīng)幀的方式來進(jìn)行。目標(biāo)機(jī)分別承擔(dān)模型運(yùn)算、算法仿真運(yùn)算等任務(wù)。每個(gè)目標(biāo)機(jī)可以單獨(dú)的運(yùn)行，用于系統(tǒng)中相對獨(dú)立的子系統(tǒng)的仿真和驗(yàn)證。

2 直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)快速原型樣機(jī)以直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制系統(tǒng)仿真模型為基礎(chǔ)，利用制導(dǎo)控制系統(tǒng)快速原型開發(fā)平臺和真實(shí)物理接口(422板卡)，添加舵機(jī)實(shí)際物理接口控制模塊，實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)時(shí)代碼的生成，進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，實(shí)現(xiàn)直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制系統(tǒng)快速原型樣機(jī)仿真。

2.1 直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制彈體模型與解耦控制設(shè)計(jì)

本文以縱向通道為例建立直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制彈體的數(shù)學(xué)模型［1］，直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制彈體縱向通道運(yùn)動(dòng)方程為

其中:δa為縱向通道氣動(dòng)舵偏角，δs=fs/fsmax為直接力控制等效舵偏角，fs為噴流所產(chǎn)生的側(cè)噴力，fsmax為噴流所產(chǎn)生的最大側(cè)噴力 a1、a2、a3、a4、a5為導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)系數(shù)，α 為彈體的攻角，為俯仰角速度，a3s、a5s為與直接力有關(guān)的動(dòng)力系數(shù)。

自動(dòng)駕駛儀采用前饋/反饋控制器結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

圖2 基于前饋/反饋?zhàn)詣?dòng)駕駛儀結(jié)構(gòu)

其中氣動(dòng)力用于反饋回路，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)特性;直接力用于前饋支路，由前饋控制器產(chǎn)生射流等效舵控信號及氣動(dòng)回路名義加速度指令，并實(shí)現(xiàn)直接力前饋部分與氣動(dòng)部分的解耦。其優(yōu)點(diǎn)在于引入直接力前饋可以大幅提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性;反饋回路仍可沿用現(xiàn)有成熟的控制結(jié)構(gòu)，前饋部分不改變閉環(huán)極點(diǎn)，不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2 控制系統(tǒng)快速原型樣機(jī)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)原型樣機(jī)框圖如圖3所示。圖3中虛線框邊界部分通過422板卡實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛儀輸出控制信號到舵機(jī)和舵機(jī)響應(yīng)的舵偏角信號到彈體動(dòng)力學(xué)模型的信息傳遞接口，在真實(shí)舵機(jī)存在的情況下，可以斷開模型虛線框內(nèi)部分，實(shí)現(xiàn)含真實(shí)舵機(jī)的控制系統(tǒng)仿真，更真實(shí)地驗(yàn)證自動(dòng)駕駛儀的設(shè)計(jì)性能。

為了便于快速原型樣機(jī)的生成，必須建立易于任務(wù)劃分和功能合理的模塊化Matlab/Simulink直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，其模型可分為穩(wěn)定回路模塊，舵機(jī)模塊，顯示模塊3個(gè)部分。

其中，穩(wěn)定回路模塊由根據(jù)導(dǎo)彈吹風(fēng)數(shù)據(jù)建立的六自由度彈體動(dòng)力學(xué)模型、彈體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、導(dǎo)航模型、控制分組件模型、舵機(jī)模型、傳感器模型、直接力控制模型等模塊組成。

圖3 控制系統(tǒng)原型樣機(jī)框圖

在完成系統(tǒng)模型數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上，按照RT-LAB建模規(guī)則分別命名SM_Stab_Loop、SS_DEL422和SC_Subsystem。然后將這3個(gè)分系統(tǒng)編輯成實(shí)時(shí)可執(zhí)行文件，分配到不同的目標(biāo)機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行。

為驗(yàn)證引入真實(shí)422接口對控制系統(tǒng)模型的影響，故將舵機(jī)模塊劃分為一個(gè)獨(dú)立的模塊，由422板卡模塊和虛擬舵機(jī)模塊actuator組成，如圖4所示。

圖4 SS_DEL422模塊

制導(dǎo)控制系統(tǒng)快速原型開發(fā)平臺采用MOXA CP-118板卡，可提供8個(gè)通道的RS-232或RS-422/485串口通訊端口。為了使422板卡發(fā)送信號和舵機(jī)發(fā)送信號一致，設(shè)置板卡輸出波特率固定為500kbps，每字設(shè)定為11位。根據(jù)某型舵機(jī)信息交換協(xié)議，通過C語言實(shí)現(xiàn)422模塊發(fā)送接收信息算法的底層代碼編寫，封裝成可拖拽的422發(fā)送模塊和接收模塊放在Simulink工具箱中，使用422模塊時(shí)在模型參數(shù)設(shè)置中添加調(diào)用該算法的源文件(.c)以及頭文件(.h)。422發(fā)送模塊的輸入為自動(dòng)駕駛儀輸出的4路舵控指令，根據(jù)協(xié)議，該板卡傳輸信息包含頭字、控制ID和4路舵控指令，因此在控制系統(tǒng)原型樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，422發(fā)送模塊可根據(jù)協(xié)議設(shè)置頭字、控制ID，和舵控指令一起拼成舵機(jī)控制信息包發(fā)送出去;422接收模塊采集422接口輸出4路舵反饋指令，送入仿真模型。

SS_DEL422模塊中的虛擬舵機(jī)模塊actuator為舵機(jī)等效二階環(huán)節(jié)。在真實(shí)舵機(jī)存在的情況下，可以斷開該環(huán)節(jié)，連接真實(shí)舵機(jī)硬件接口，實(shí)現(xiàn)含真實(shí)舵機(jī)的控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真。

2.3 仿真與結(jié)果

仿真條件:導(dǎo)彈北向速度V=390 m/s，初始坐標(biāo)為x=z=0，y=15 000 m，初始姿態(tài)角(俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角)為? =0°，ψ =0°，ω =45°。在4 s和7 s時(shí)給定持續(xù)2 s的階躍過載指令120 m/s2。給定階躍過載指令的同時(shí)4 s和7 s時(shí)控制所有噴管向Y軸負(fù)向噴流，6 s和9 s時(shí)控制所有噴管向Y軸正向噴流。仿真步長為0.000 625 s。

直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制系統(tǒng)數(shù)字仿真和快速原型樣機(jī)實(shí)時(shí)仿真的對比結(jié)果如圖5所示。其中，WUY1、WUZ1為階躍過載指令，wy1_au、wz1_au為復(fù)合控制系統(tǒng)數(shù)字仿真響應(yīng)過載，wy1_yx、wz1_yx為快速原型樣機(jī)實(shí)時(shí)仿真響應(yīng)過載。

圖5 控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與快速原型實(shí)時(shí)仿真對比結(jié)果

由仿真結(jié)果可知:(1)快速原型實(shí)時(shí)仿真過載響應(yīng)時(shí)間＜0.1 s，與Matlab/Simulink環(huán)境下純數(shù)字仿真曲線基本一致，僅存在小量的差異，滿足設(shè)計(jì)要求，從而驗(yàn)證了直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、控制算法以及快速原型系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性。經(jīng)分析，引起小量差異的主要原因在于系統(tǒng)噪聲。

(2)由于快速原型開發(fā)平臺引入實(shí)物的原因，帶入了之前難以進(jìn)行精確建模的非線性環(huán)節(jié)以及未建模動(dòng)態(tài)特性，其仿真精度和置信度高于純數(shù)字仿真。

3 制導(dǎo)控制系統(tǒng)快速原型平臺與視景仿真系統(tǒng)聯(lián)試試驗(yàn)

3.1 視景仿真系統(tǒng)

某型導(dǎo)彈視景仿真數(shù)據(jù)分析軟件集合了強(qiáng)大的視景仿真功能，不僅可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，還可以進(jìn)行外場靶試場景的真實(shí)回放和產(chǎn)品成果的演示。該視景仿真數(shù)據(jù)分析軟件仿真部分的設(shè)計(jì)和編程采用VEGA編程技術(shù)，其傳統(tǒng)的曲線與數(shù)字分析部分由美國國家儀器公司的Measurement Studio軟件的圖形控件編程實(shí)現(xiàn)，整體設(shè)計(jì)采用了面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)方法在VC++6.0下編程，能夠提供逼真的視景效果，使用戶可以在任意視角觀察任意時(shí)間點(diǎn)的視景，簡單的操作即可改變復(fù)雜的視景環(huán)境下的仿真速度、環(huán)境效果和觀察視點(diǎn)。

3.2 系統(tǒng)聯(lián)試試驗(yàn)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)快速原型樣機(jī)和視景仿真系統(tǒng)通過VMIC5565光纖反射內(nèi)存卡進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。受試驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)間局限，在視景仿真系統(tǒng)中簡單的定義導(dǎo)彈直接力噴管為8個(gè)，均勻散布在導(dǎo)彈頭部附近一周。在虛擬場景中，導(dǎo)彈的直接力噴管可以根據(jù)過載指令噴射火焰。在視景仿真系統(tǒng)中可以很直觀的看到不同彈道飛行條件下直接力的作用效果以及直接力/氣動(dòng)力復(fù)合作用下導(dǎo)彈位置、姿態(tài)的改變。

將控制系統(tǒng)快速原型開發(fā)平臺與視景仿真系統(tǒng)結(jié)合起來，可以把快速原型樣機(jī)實(shí)時(shí)仿真的試驗(yàn)過程通過逼真的虛擬場景同步演示出來，能夠直觀的看到直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制對于導(dǎo)彈姿態(tài)的作用效果，大大滿足了仿真試驗(yàn)的可視化需求。圖6為直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制系統(tǒng)快速原型試驗(yàn)場景。

圖6 直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制系統(tǒng)快速原型試驗(yàn)場景

4 結(jié)束語

直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制系統(tǒng)快速原型開發(fā)系統(tǒng)采用舵機(jī)真實(shí)422接口，結(jié)合視景仿真系統(tǒng)，方便快捷形象的調(diào)整控制對象模型和參數(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了仿真步長小于1ms的實(shí)時(shí)仿真，完成了對控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

研究表明:由于該系統(tǒng)具有易操作、實(shí)時(shí)性和有效性顯著特點(diǎn)，通過使用系統(tǒng)，研究人員可方便有效的縮短研制周期，大大減少研制、試驗(yàn)和測試費(fèi)用，在提高空空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和研發(fā)效率方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。

［1］ 李友年，王海波.氣動(dòng)力/直接力解耦控制方法［J］.航空兵器，2004(3):24－29.

［2］ 章惠君，郭雯雯.制導(dǎo)控制系統(tǒng)快速原型技術(shù)研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010，30(4):37 －40.

［3］ 楊向忠，安錦文，崔文革.快速控制原型仿真技術(shù)應(yīng)用［J］.航天控制，2009，27(2):72 －80.

［4］ 常曉飛，符文星，閆杰.RT-LAB在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.測控技術(shù)，2008，27(10):75－78.

［5］ 馬慧敏，章惠君.導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.電光與控制，2012(5):82 －85.

［6］ 萬士正，常曉飛，閆杰.基于RT-LAB的飛控系統(tǒng)快速原型開發(fā)［J］.電子測量技術(shù)，2012，35(10):115 －122.

(責(zé)任編輯周江川)