基于LabWindows/CVI的舵機負載模擬系統設計

馬 龍 ，樊澤明

（西北工業大學 自 動化學院，陜西 西 安 7 10129）

地面半物理仿真試驗是飛機設計與研制過程中不可或缺的一個環節，用于在地面環境對飛機的工作狀態進行模擬，以驗證飛機的各項性能是否滿足設計需要，該環節對保障飛機的安全性與可靠性具有重要意義。

舵機是飛機自動駕駛儀或飛機增穩系統中的執行機構，屬于飛機的關鍵部件。在飛機地面半物理仿真試驗中，需要在地面環境中模擬舵機在全飛行剖面中所受到的氣動載荷，進而為整機提供與實際飛行相近似的工作狀態，以檢驗舵機及其他部、組件的性能，并為全機研制、改進與改型提供重要參考依據。

因此，舵機負載模擬是地面半實物仿真試驗中不可缺少的重要技術環節。在試驗過程中，舵機負載模擬系統需要對負載模擬器進行控制，根據給定的載荷譜為舵機施加相應的載荷。由于在飛機飛行過程中，各個環境參數不斷變化，所以舵機負載模擬系統具有載荷類型復雜且變化快等特點，控制難度較大。文中采用上、下位機的分布式結構方案，基于LabWindow/CVI開發環境設計了負載模擬系統控制軟件，對多個通道的舵機載荷進行實時模擬，保證了地面模擬試驗的真實性與準確性。

1 系統硬件設計

1.1 系統結構原理

負載模擬系統由加載作動筒、電液伺服閥、控制器與傳感器等組成。其中伺服閥與加載作動筒為舵機作動器施加額定負載；拉壓力傳感器為負載模擬系統提供反饋信號，完成閉環控制；位移傳感器用于超差檢測和故障判斷并為系統提供補償。單通道負載模擬系統結構如圖1所示。

圖1 單通道負載模擬系統結構圖Fig.1 Structure of single-channel load simulation system

整個試驗平臺中共有5個舵機，所以系統共需要五個負載模擬通道。為了達到最佳控制效果，系統采用上、下位機的分布式控制系統結構。其中上位機用于完成人機接口和協調管理等功能。由于系統中有四個負載模擬通道間存在一定耦合，故采用1#下位機對這四個通道進行協調控制；另一個負載模擬通道的負載頻率較高，為保證控制精度，采用2#下位機單獨進行控制。整個舵機負載模擬系統的硬件系統結構框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 Structure of hardware system

1.2 系統電氣連接

系統電氣部分的前向通道負責將現場的信號實時采集處理并傳回工控機。每個通道包含一個拉壓力傳感器和一個位移傳感器，全部四個通道共計8路反饋信號。反饋信號在現場端通過幅值放大與零位調整后由電纜傳輸至電氣柜的信號調理板，經阻抗隔離和濾波后輸入到相應下位機的A/D轉換卡，并在工控機中完成相應的數據運算與處理。

系統電氣部分的后向通道負責將工控機的控制信號傳送至現場的執行機構。每個通道包含一個舵機指令信號、一個加載伺服閥指令信號和一個用于對系統進行保護的開關信號，全部四個通道共計12路控制信號?？刂菩盘枏墓た貦C的D/A轉換卡或DO接口卡輸出，通過功率放大后輸送至現場的執行機構處，完成現場機構的控制。

由于系統采用上、下位機分布式結構，為了實現上、下位機之間的通訊，采用了基于RS-485通訊方式的異步并行通訊卡。該通訊卡基于ISA總線，以兩塊為一組，配合完成通訊。同組的兩塊板卡使用CBL-M25M9x2數據通訊線進行連接。

2 系統軟件設計

控制軟件系統采用NI公司的專業開發平臺LabWindows/CVI進行開發[1]。該平臺是工業控制、測試元件開發的專業平臺，具有界面簡潔、友好，能較好地模擬工業控制儀器與環境等突出特點，其強大的圖形用戶界面交互編輯功能與豐富的函數庫及網絡通信模塊使其特別適合工業控制系統軟件的開發。

控制軟件系統分為兩大部分：上位機監控及人機對話軟件和下位機數據采集與控制軟件。為了提高軟件的可靠性、保證軟件功能的靈活性并滿足軟件系統的易用性、可擴展性等要求，系統軟件采用模塊化設計，通過不同的模塊來完成軟件系統的各個功能。

上位機軟件不負責負載模擬過程中載荷的控制，而只承擔監測、協調與管理下位機的作用。上位機軟件系統包括監控模塊、系統設置模塊、通訊模塊和數據處理模塊等組成部分。其主要的功能包括：

1）GUI界面的人機對話接口；

2）試驗進程的監測與報警處理；

3）對下位機狀態的控制與管理；

4）控制參數的設置；

5）載荷譜、運動譜的設置；

6）系統輸入輸出通道的標定與自檢；

7）試驗數據的保存處理與報表輸出。

下位機負責試驗中對舵機以及負載模擬系統的控制。下位機軟件主要包括初始化模塊、試驗控制模塊、通訊模塊和狀態監測模塊等組成部分。其具體功能包括：

1）現場信號的數據采集；

2）控制決策與運算；

3）輸出控制；

4）載荷數據的上傳。

上、下位機軟件之間的數據通信通過高速數據通訊卡完成。數據通訊卡采用全雙工模式，通訊內容包括：上位機下傳至下位機的啟動、停止、自檢等指令以及控制參數、載荷譜和運動譜參數等信息；下位機上傳至上位機的用于實時顯示和保存的現場數據等信息。所用的通訊過程均按照約定的通訊協議完成。

當軟件程序開始運行時，系統會首先對各個系統參數以及板卡端口進行初始化。工作人員可以通過上位機軟件程序提供的人機交互界面進行傳感器標定、控制參數設定、試驗任務選擇等操作。當開始試驗后，上位機會通過通訊模塊將控制參數與指令下傳給上位機，并同時建立數據顯示線程與數據保存線程，將下位機上傳的實時數據以動態曲線的形式顯示在終端顯示器并保存于存儲介質中，以方便工作人員實時監測或日后調用。舵機負載模擬系統的整個閉環控制均在相應下位機中完成，其過程包括接收上位機控制參數及指令，對現場數據進行實時采集并做超差檢驗，完成控制器計算及輸出和向上位機上傳實時數據等步驟。軟件系統工作流程圖如圖3所示。

從控制軟件的流程圖可以看出，在上位機軟件運行過程中采用了多線程技術[2]。這種設計可以更加有效的利用CPU的性能。由于多線程間方便的通訊機制，幾個線程可以共享數據空間，大大減少了啟動線程所需的空間和線程間彼此切換的時間，使應用更加快捷與方便。同時，多線程技術的采用，也使得程序的邏輯與控制方式更加簡單，便于理解與修改。在測控軟件設計與應用過程中，對數據采集的實時性要求很高，這需要系統有較高的采樣頻率，使用高精度的定時器是滿足系統需求的關鍵。在本文的舵機負載模擬系統中，使用了多媒體定時器對控制進程進行管理，其精度很高，最小誤差約為1 ms，且多媒體定時器的優先級較高，可以減輕資源緊張時對定時器運行的影響。

圖3 系統軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the software system

3 系統控制策略

在舵機負載模擬系統的控制過程中，最大的難點在于對系統運行時產生的多余力進行抑制與消減[3]。

多余力是由承載系統（舵機）的主動運動造成的。承載系統的主動運動，會拖動加載系統（負載模擬器）與其一起運動，在加載作動筒兩腔產生強迫流量，引起多余力。多余力的大小與運動的速度和加速度密切相關。同時，多余力具有微分特性，不僅超前于加載力，并且會隨著承載系統運動頻率的增加而迅速增大。為此，在控制系統設計時，必須采用合理方法，將多余力抑制并消減到一定的范圍內。

為了對負載模擬過程中出現的多余力進行抑制，很多學者做出了研究。楊剛等采用模糊自適應控制策略[4]，能較好的消除多余力，但模糊控制器的建立過程太復雜且可移植性差，石旭東等采用CMAC與PID并行控制方法[5]，自適應能力較強，但神經網絡學習過程具有較大的不確定性。羅璟等引入H∞控制方法[6]，但這種方法需要建立系統的精確數學模型。結合工程實際情況，分析項目中舵機負載模擬系統的特點，在對舵機負載模擬系統進行控制時，系統的運動譜（舵機運動規律）和載荷譜（負載模擬器運動規律）都是已知的。所以可以根據結構不變性原理，在計算要輸出的控制信號時，預先施加一個適當的前饋補償，以達到減少外部擾動的目的。

舵機負載模擬系統如圖4所示，其中d為干擾輸入。根據結構不變性原理，為了消除干擾d對系統的影響，理論上需要滿足條件Gf(s)G1(s)+G3(s)=0，即需設計一個前饋補償環節Gf(s)=-G3(s)/G1(s)。

圖4 前饋補償原理圖Fig.4 Schematic of feed-forward compensation

在設計前饋補償環節時，以加載輸出端的位移做為前饋補償環節的輸入信號。這樣選擇有兩個突出優點。一是采用加載輸出端的位移做補償輸入時，消除了連接機構的彈性形變以及慣性負載引起的滯后與衰減作用的影響，簡化了負載模擬系統的動態特性，使補償后的系統被簡化成一個二階環節，有助于提高負載模擬系統的閉環動態性能。二是當采用加載輸出端位移為補償輸出時，負載模擬系統控制器中的所有傳感器檢測信號與執行機構控制信號均在加載系統一側，在結構上保持了負載模擬系統的獨立性。

4 系統實現與試驗結果

根據上述各部分的分析與設計，完成了舵機負載模擬系統的硬件平臺搭建和軟件程序的編寫與調試。經過一定的調試，達到了理想的控制效果。試驗設備在相應載荷指令下的響應如圖5所示。根據試驗結果可知，實際響應對指令的動態跟蹤效果很好，滿足了系統的要求。

圖5 試驗結果圖Fig.5 Graph of test result

5 結論

本文基于LabWindows/CVI開發環境，對舵機負載模擬系統進行分析與設計。經實踐證明，該系統能對舵機載荷進行實時、準確的模擬，具有很好的控制效果，充分滿足了試驗要求。同時，本文提及的舵機負載模擬系統設計方法，對同類的電液負載模擬器的設計也具有一定的借鑒與參考價值。

[1]陳懷民,安玉嬌,王亮.基于LabWindows/CVI虛擬測試系統軟件設計與實現[J].測控技術,2009,28(11):59-62.CHEN Huai-min,AN Yu-jiao,WANG Liang.Design and implementation of virtual test system based on LabWindows/CVI[J].Measurement&Control Technology,2009,28(1):59-62.

[2]楊東升，王高峰.多線程技術在虛擬儀器開發軟件LabWindows/CVI中的實現[J].電測與儀表,2005,(3):39-41.YANG Dong-sheng,WANG Gao-feng.The application of multi-threading based on virtual instrument software Lab-Windows/CVI[J].Electrical Measurement&Instrumentation,2005,(3):39-41.

[3]Jiao Z X,Gao J X,Hua Q,et al.The velocity synchronizing control on the electro-hydraulic load simulator[J].Chinese Journal of Aeronautics,2004,38(12):34-38.

[4]楊鋼,劉迎雨,杜經民,等.基于模糊PID控制器的電液負載模擬系統[J].華中科技大學學報：自然科學版,2012,40(4):59-62.YANG Gang,LIU Ying-yu,DU Jing-min,et al.Electro-hydraulic load systems based on fuzzy PID controller[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology：Natural Science Edition,1999,25(1):22-25.

[5]石旭東,張發,荊濤,等.飛行模擬機電動操縱負荷系統控制與仿真[J].電機與控制學報,2010,14(5):73-78.SHI Xu-dong,ZHANG Fa,JING Tao,et al.Control and simulation of electric control loading system of flight simulator[J].Electric Machines and Control,2010,14(5):73-78.

[6]羅璟,趙克定,許宏光.基于H∞魯棒控制的電液負載模擬器的性能研究[J].機床與液壓,2006(8):113-116.LUO Jing,ZHAO Ke-ding,XU Hong-guang.Study on performance of electro-hydraulic load simulator based on H∞Robust control[J].Machine Tool&Hydraulics,2006(8):113-116.