基于RTX 的直流電動(dòng)干擾伺服控制系統(tǒng)

劉 峰，劉忠超，石 閣，趙松慶

(1.南陽理工學(xué)院，南陽473000;2.南陽供電公司，南陽473000;3.中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽471009)

0 引 言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，武器是在光電對抗中進(jìn)行的，同時(shí)要求精確打擊的武器都必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力。本電動(dòng)干擾伺服控制系統(tǒng)安裝在五軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，模擬干擾紅外成像，屬于紅外成像光學(xué)的輔助系統(tǒng)，用于紅外干擾控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)。為此在本電動(dòng)干擾伺服系統(tǒng)中，一方面要求操作系統(tǒng)擁有良好的人機(jī)交互，另一面要求控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性比較好［1，3］。Windows 有漂亮的界面和強(qiáng)大的功能，因此在Windows 平臺(tái)下研究直流電動(dòng)干擾伺服控制系統(tǒng)，對航空航天等自動(dòng)化控制領(lǐng)域?qū)?huì)有重大的意義。

Windows 的線程調(diào)度的依據(jù)是線程的優(yōu)先級和時(shí)間片［2］，所以操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能很差，因此不能處理對實(shí)時(shí)性要求高的控制系統(tǒng)。RTX 是Ardence 公司推出的實(shí)時(shí)擴(kuò)展子系統(tǒng)，通過修改并擴(kuò)展Windows 的硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer，HAL)，延托了Windows 操作系統(tǒng)的內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，形成與Windows 并列的實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，能夠解決Window 操作系統(tǒng)弱實(shí)時(shí)性的問題。

由于本文研究的是電動(dòng)紅外干擾伺服控制系統(tǒng)，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，對控制系統(tǒng)的精度要求比較高，同時(shí)系統(tǒng)模型的參數(shù)具有時(shí)變性，還有機(jī)械部分的非線性因素，但是傳統(tǒng)的PID 只能適應(yīng)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，不能適應(yīng)非線性控制系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法的并行處理能力和計(jì)算機(jī)的串行處理方法相悖，所以控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性在計(jì)算機(jī)上很難實(shí)現(xiàn)，為此我們采用神經(jīng)元PID 控制算法，通過PCI 總線的運(yùn)動(dòng)控制卡和驅(qū)動(dòng)器相連，同時(shí)借助于RTX 實(shí)時(shí)操作子系統(tǒng)，不但計(jì)算簡單，而且控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也容易實(shí)現(xiàn)。這樣可以充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力、可逼近任何線性和非線性模型等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的要求。

1 伺服控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的面向成像目的紅外干擾模擬器如圖1 所示，它是和由MOS 電阻陣列構(gòu)成的紅外模擬器以及基相配套的光學(xué)系統(tǒng)及五軸轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成，安裝在五軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，用于紅外干擾控制系統(tǒng)的半實(shí)物平臺(tái)上仿真試驗(yàn)，該裝置能在紅外干擾控制系統(tǒng)的瞬間視場中按照順序產(chǎn)生基于中心分離型多個(gè)干擾源，其中干擾源的大小和分離時(shí)間間隔是固定不變的，干擾目標(biāo)的分離時(shí)間、速率和能量比是可控的?；诩t外干擾模擬器的控制可以看作是一個(gè)三閉環(huán)的伺服控制系統(tǒng)，通過模板電機(jī)、關(guān)閘電機(jī)、能量比電機(jī)配合完成控制系統(tǒng)所需要的功能。模板電機(jī)帶動(dòng)線性模組運(yùn)動(dòng)、光閘電機(jī)控制光的打開或者關(guān)閉，能量比調(diào)節(jié)電機(jī)來控制通過紅外光的能量。

圖1 紅外干擾模擬器

1.1 分析計(jì)算

根據(jù)控制系統(tǒng)提出的技術(shù)指標(biāo)，就線性模組的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來說，對線性模組的動(dòng)態(tài)性能要求:按照正弦擺動(dòng)，最大分離速度為50 mm/s，偏差為±2 mm，頻帶寬度為8 Hz，在動(dòng)態(tài)測試過程，幅差誤差要求不超過10%，相移誤差不超過10°。

根據(jù)控制系統(tǒng)對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的要求，模板電機(jī)的位置命令通過輸入正弦函數(shù)來表示。

假定模板電機(jī)所帶的線性模組的位置按照正弦函數(shù)來運(yùn)行，即:

式中:S0為模板電機(jī)按照正弦位置方式運(yùn)動(dòng)行程的最大值，根據(jù)控制系統(tǒng)正弦擺動(dòng)的偏差可知S0=2 mm;f 為模板電機(jī)按照正弦位置運(yùn)動(dòng)的頻率，根據(jù)控制系統(tǒng)要求，位置命令的頻率在8 Hz 下幅差不超過10%，相移不超過10°，可以將模板運(yùn)動(dòng)電機(jī)的位置控制命令為8 Hz 的正弦波。

因此模板運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速可根據(jù)下式設(shè)計(jì):

最大加速度:

據(jù)此，可計(jì)算出模板運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)帶動(dòng)線性模組做橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)所發(fā)生的最大線速度:vmax=2πfS0=0.100 m/s。

通過計(jì)算分析可以得出最大分離速度能夠滿足控制系統(tǒng)提出50 mm/s 的要求。計(jì)量模板運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)所需要的最大加速度:amax=4π2f2S0=5.048 m/s2。

通過計(jì)算可以看出，控制系統(tǒng)能夠滿足干擾分離時(shí)的最大加速度為500 mm/s2的要求。

由線性模組的的螺距為1 mm，也就是模組轉(zhuǎn)一圈走1 mm，通過Pro/E 軟件計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量為1 kg (不考慮絲杠、聯(lián)節(jié)軸、電機(jī)轉(zhuǎn)子軸、編碼器等)，據(jù)此計(jì)算出模板電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為:

考慮到傳動(dòng)效率以及工程上實(shí)際的負(fù)載質(zhì)量，實(shí)際需要的模板電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)有一定的裕量，因此乘以一定的系數(shù)，在此我們估計(jì)為3，因此電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于2.41 mN·m，再加上線性模組的最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1.2 mN·m，因此實(shí)際模板電機(jī)的扭矩應(yīng)該大于3.61 mN·m。

模板電機(jī)線速度:

通過分析計(jì)算可以得到線性模組的驅(qū)動(dòng)電機(jī)(也就是模板電機(jī))的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)大于6 000 r/min。根據(jù)控制要求提出的雙十指標(biāo)分析計(jì)算，電機(jī)轉(zhuǎn)速要約為6 000 r/min、扭矩約為3.61 mN·m，并要有一定裕量。

1.2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

紅外干擾模擬器的控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)將RTX 引入Windows，借助于基于PCI 總線的多軸運(yùn)動(dòng)控制器［8］，根據(jù)紅外干擾模擬器的工作原理，能夠?qū)崿F(xiàn)在Windows 平臺(tái)下對伺服電機(jī)高精度的實(shí)時(shí)控制，符合控制系統(tǒng)提出的性能指標(biāo)。

1.2.1 硬件部分硬件部分由控制計(jì)算機(jī)、ADT -8948A1 四軸運(yùn)動(dòng)控制卡、PCI5565 光纖卡、PCI1716 數(shù)據(jù)采集卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、線性電源、直流電機(jī)、光電編碼器等組成。

圖2 控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

仿真機(jī)通過光纖卡將運(yùn)動(dòng)控制指令下發(fā)到控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)接收到仿真機(jī)的位置指令后，和通過運(yùn)動(dòng)控制卡反饋的位置指令比較，然后邏輯判斷，經(jīng)過位置環(huán)的控制算法，轉(zhuǎn)化為電機(jī)的速度，傳給運(yùn)動(dòng)控制卡，由運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)控制三個(gè)直流電機(jī)的運(yùn)行。

運(yùn)動(dòng)控制卡ADT -8948A1 可以在電機(jī)運(yùn)行過程中通過改變位置脈沖的頻率來實(shí)時(shí)改變電機(jī)線速度和通過改變邏輯位置改變目標(biāo)位置，通過使用連續(xù)插補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加減速功能等，伺服接口有模擬和數(shù)字兩種形式。PCI1716 數(shù)據(jù)采集卡主要用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，通過A/D 將位置命令采集出來，下發(fā)給運(yùn)動(dòng)控制卡，通過D/A 將實(shí)際的位置輸出。仿真計(jì)算機(jī)連接在五軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過計(jì)算可以得出光閘運(yùn)動(dòng)方程、線性模板運(yùn)動(dòng)方程、能比電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程，并通過光纖卡將其轉(zhuǎn)化為速度和位置信號(hào)傳遞給控制計(jì)算機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)器可以通過放大控制信號(hào)的電流，滿足電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它的性能對控制系統(tǒng)的好壞。光電編碼器用于反饋環(huán)節(jié)，其輸出端同時(shí)連到伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制卡。

1.2.2 軟件部分

根據(jù)紅外干擾模擬器控制系統(tǒng)所需要的功能和所要達(dá)到的性能指標(biāo)，為此進(jìn)行軟件部分設(shè)計(jì)。運(yùn)行在控制計(jì)算機(jī)上的軟件部分主要由計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡組成的控制系統(tǒng)和由數(shù)據(jù)采集卡組成的數(shù)據(jù)采樣等，主要完成人機(jī)交互、位置指令的讀取和分析、位置環(huán)的控制算法、數(shù)據(jù)采樣、產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。其中上位機(jī)界面用LabVIEW 來設(shè)計(jì)，根據(jù)功能要求，可以設(shè)定干擾源的分離時(shí)間、干擾產(chǎn)生時(shí)的速度控制等，控制計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過運(yùn)動(dòng)控制卡對目標(biāo)的位置、速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，完成對控制信號(hào)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤。

1.3 控制系統(tǒng)的組成

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、ADT -8948A1 運(yùn)動(dòng)控制器、無刷直流電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器以及光電編碼器、無刷直流電動(dòng)機(jī)、負(fù)載等組成了紅外干擾模擬器的控制系統(tǒng)。紅外干擾模擬器是一個(gè)3 軸伺服運(yùn)動(dòng)控制，圖3 為3 軸伺服運(yùn)動(dòng)控制原理，仿真計(jì)算機(jī)與控制計(jì)算機(jī)之間通過光纖卡進(jìn)行通信。

圖3 3 軸伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

工作過程如下:

(1)控制計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件打開后，和仿真計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)完成后，設(shè)置初始化參數(shù);

(2)仿真計(jì)算機(jī)連接在5 軸飛行電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算出位置、速度指令，通過光纖卡傳輸給控制計(jì)算機(jī);

(3)控制計(jì)算機(jī)打開軟件后，先控制模板電機(jī)做歸零動(dòng)作，調(diào)整好調(diào)光器，打開光閘，收到開始工作的命令后，根據(jù)初始化參數(shù)產(chǎn)生多發(fā)干擾運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到極限位置或接收到仿真計(jì)算機(jī)發(fā)出停止命令后，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)關(guān)閉光閘;在仿真實(shí)驗(yàn)中，需要線性模組電機(jī)和光閘電機(jī)、能比電機(jī)三個(gè)電機(jī)配合工作，以實(shí)現(xiàn)多發(fā)干擾的快速分離。

1.4 單神經(jīng)元PID 控制器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)PID 結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、魯棒性強(qiáng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是在工業(yè)控制中常常存在著非線性過程，難以建立起精確的數(shù)學(xué)模型，而傳統(tǒng)PID 由于嚴(yán)重依賴精確的數(shù)學(xué)模型，不能夠?qū)崟r(shí)在線調(diào)節(jié)參數(shù)。本文采用的紅外干擾伺服控制系統(tǒng)的位置環(huán)由于電機(jī)模型參數(shù)存在著時(shí)變因素，還有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分也存在著非線性因素，因此不能采用傳統(tǒng)的PID 控制算法。為此我們在位置環(huán)將傳統(tǒng)PID 改進(jìn)并引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，也就是單神經(jīng)元PID 控制算法［5-6］，它能使控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度快、實(shí)時(shí)性能好、自適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

位置式單神經(jīng)元PID 控制器［5］構(gòu)成圖如圖4 所示，從結(jié)構(gòu)上可以分為輸入層、隱含層、輸出層。輸入層上面的兩個(gè)神經(jīng)元結(jié)點(diǎn)，分別接收給定的位置值r 和位置的當(dāng)前值的反饋量y，輸出層是將隱含層的三個(gè)神經(jīng)元比例、積分、微分進(jìn)行加權(quán)后輸出電機(jī)的速度，位置式單神經(jīng)元PID 控制器和無刷直流電動(dòng)機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器、負(fù)載部分、反饋環(huán)節(jié)一起構(gòu)成了三閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖4 單神經(jīng)元PID 控制器組成

1.5 位置式神經(jīng)元PID 控制器的仿真

圖5 單神經(jīng)元PID 的Simulink 仿真

單神經(jīng)元PID 控制器的初始值為任意隨機(jī)值，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的學(xué)習(xí)率η=0.25，控制時(shí)間間隔為0.001 s，動(dòng)量因子α=0.03。為驗(yàn)證控制系統(tǒng)的方波跟蹤本領(lǐng)，假設(shè)輸入函數(shù)為rin(t)=0.5sgn［sin(4πt)］，經(jīng)練習(xí)后的神經(jīng)元PID 控制器的方波、正弦波位置跟蹤圖如圖6 所示。

圖6 單神經(jīng)元PID 控制響應(yīng)

從圖6 的圖跟蹤曲線圖中可以看出，訓(xùn)練后的神經(jīng)元PID 控制系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)誤差更小，跟蹤性能好，克服了傳統(tǒng)PID 需要精確的數(shù)學(xué)模型，通過梯度下降法調(diào)整權(quán)值，控制系統(tǒng)具有魯棒性強(qiáng)、響應(yīng)速度快，自適應(yīng)能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性能好。

2 控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

通過對紅外干擾模擬器的伺服控制系統(tǒng)任務(wù)要求和性能指標(biāo)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一個(gè)單神經(jīng)元PID 控制器，只能保證紅外干擾控制系統(tǒng)在解決非線性方面有很大潛力，要想做在Windows 平臺(tái)下對伺服控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，必須引入RTX，來解決Windows操作系統(tǒng)弱實(shí)時(shí)性的問題。

2.1 RTX 概況

RTX 是在內(nèi)核態(tài)中將HAL 層修改并擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模式。RTX 與Windows 相互配合，通用的GUI 任務(wù)由Windows 來處理，實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集由RTX 來處理。RTX 進(jìn)程跟WIN32 進(jìn)程間的通訊由信號(hào)量、共享內(nèi)存等機(jī)制［7］來實(shí)現(xiàn)的。

由圖7 可見，RTX 是對Windows 的硬件抽象層的進(jìn)一步擴(kuò)展，并在RTXHAL 擴(kuò)展的基礎(chǔ)上形成了RTX 實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，RTX 同時(shí)提供了標(biāo)準(zhǔn)的RTDLL，以供應(yīng)用程序的進(jìn)一步調(diào)用。從結(jié)構(gòu)上看，RTX 有自己的實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制，并且所有的RTSS 線程的優(yōu)先級別都高于Windows 的線程，包括Windows NT 的中斷管理和延遲過程調(diào)用。RTX 可以供給微秒級精度的定時(shí)器，分辨率能夠到達(dá)100 ns，還提供中斷、DMA 等實(shí)時(shí)服務(wù)。RTX 的RTXHAL 把RTX 的中斷機(jī)制跟Windows NT 的中斷機(jī)制隔離開，因此能夠提高操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

圖7 RTX 工作原理

2.2 RTX 環(huán)境下的PCI 驅(qū)動(dòng)程序

將RTX 引入Windows 平臺(tái)，解決了操作系統(tǒng)的弱實(shí)時(shí)性問題，能夠?qū)崿F(xiàn)在Windows 平臺(tái)上的實(shí)時(shí)控制［4］，通過在內(nèi)核態(tài)中開發(fā)基于RTX 的PCI 驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)接口的實(shí)時(shí)性。由于驅(qū)動(dòng)程序工作在內(nèi)核層并且可以直接操作硬件，所以為我們實(shí)現(xiàn)接口的實(shí)時(shí)性提供了保證。

3 伺服控制系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)測試

通過前面分析直流電動(dòng)干擾伺服控制系統(tǒng)，要想實(shí)現(xiàn)比較好的位置跟蹤，除了通過引入RTX 來解決Windows 操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性弱的缺點(diǎn)，通過控制器設(shè)計(jì)和在位置環(huán)采用神經(jīng)元PID 的控制策略，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)魯棒性強(qiáng)、自學(xué)習(xí)、逼近非線性關(guān)系、并行處理能力好等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)高精度位置跟蹤的要求。為驗(yàn)證系統(tǒng)紅外干擾控制器能否滿足任務(wù)要求和性能指標(biāo)，需要對系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試。

為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，系統(tǒng)的上位機(jī)界面用Lab-VIEW 來設(shè)計(jì)，根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，控制界面主要用來對三個(gè)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如時(shí)間、分離速度、位置和速度的顯示、紅外干擾的控制功能如歸零、多發(fā)等。從功能上講，可分為多發(fā)干擾靜態(tài)測試、動(dòng)態(tài)測試、閉環(huán)仿真測試。設(shè)備通電并聯(lián)機(jī)成功指示燈變綠后，打開上位機(jī)軟件，開始靜態(tài)測試。模板運(yùn)動(dòng)電機(jī)的8 Hz 正弦位置響應(yīng)曲線如8 所示。

圖8 模板運(yùn)動(dòng)電機(jī)位置響應(yīng)

從圖8 中可以看出，模板電機(jī)在頻率為8 Hz 的正弦位置信號(hào)的驅(qū)動(dòng)響應(yīng)下，位置的動(dòng)態(tài)誤差幅值相差約8%，相位相差約為9°，符合控制系統(tǒng)提出雙十指標(biāo)的性能指標(biāo)。

4 結(jié) 語

本文以某研究所的紅外成像目標(biāo)干擾伺服系統(tǒng)為研究背景，通過性能指標(biāo)的計(jì)算對電機(jī)進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)一個(gè)伺服控制系統(tǒng)，搭建基于運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件平臺(tái)和基于RTX 的軟件平臺(tái)。通過在Windows操作系統(tǒng)上引入RTX，可以有效解決Windows 實(shí)時(shí)性弱的缺點(diǎn)，為解決接口實(shí)時(shí)性問題，可以開發(fā)RTX 驅(qū)動(dòng)程序，直接在Windows 實(shí)現(xiàn)對硬件的實(shí)時(shí)控制，在位置環(huán)節(jié)引入單神經(jīng)元PID，可增強(qiáng)控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力。實(shí)驗(yàn)證明此方案能夠?qū)崿F(xiàn)在Windows 平臺(tái)下電動(dòng)干擾伺服控制系統(tǒng)具有位置跟蹤性能較高、自適應(yīng)能力比較強(qiáng)、魯棒特性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

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