賈新強(qiáng)，嚴(yán) 忠，盧建華

（1.海軍駐西安東郊航空設(shè)備軍事代表室，西安 710065；2.92213 部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264001；3.海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺(tái) 264001）

0 引言

伺服控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)涉及到控制、電子、機(jī)械液壓等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，如何運(yùn)用先進(jìn)設(shè)計(jì)方法提高設(shè)計(jì)的可行性與有效性是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。伺服控制系統(tǒng)作為飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，其開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證在飛行控制系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中占有舉足輕重的位置。[1]隨著直接驅(qū)動(dòng)舵機(jī)（DDA）和數(shù)字控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)在伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，伺服控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)面臨下述問(wèn)題：

1）DDA 舵機(jī)作為被控對(duì)象在國(guó)內(nèi)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)很少、技術(shù)難度大；

2）在國(guó)內(nèi)，使用數(shù)字控制技術(shù)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)控制液壓舵機(jī)缺乏工程經(jīng)驗(yàn)；

3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，建模比較困難；

4）伺服控制系統(tǒng)研制周期短、需要一次設(shè)計(jì)成功，避免設(shè)計(jì)反復(fù)。

如果采用傳統(tǒng)的瀑布式的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證手段，只有等到產(chǎn)品研制出來(lái)后才能通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，可能會(huì)出現(xiàn)一定的反復(fù)。目前國(guó)外開(kāi)始普遍采用集成工程環(huán)境 IEE（Integrated Engineering Environment）等先進(jìn)設(shè)計(jì)方法和工具進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施，即在設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)用螺旋式開(kāi)發(fā)流程，在不同的設(shè)計(jì)階段應(yīng)用IEE 工具分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證，盡可能在設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，作到一次成功。下面對(duì)IEE 進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)如何應(yīng)用IEE 進(jìn)行DDA 舵機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)行深入探討。

1 IEE 設(shè)計(jì)方法和工具

現(xiàn)在控制系統(tǒng)的研制和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)都要遵循系統(tǒng)工程的方法。系統(tǒng)工程要求開(kāi)發(fā)者遵循一定的動(dòng)態(tài)開(kāi)發(fā)流程，如圖1所示的V模式。[2-3]

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

IEE能夠真正地將整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段可以利用IEE進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、控制算法設(shè)計(jì)優(yōu)化、仿真驗(yàn)證；在原型驗(yàn)證和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)階段利用IEE直接繼承系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的成果，將離線仿真模型用于快速原型驗(yàn)證，進(jìn)一步考核系統(tǒng)的時(shí)間特性，為最終產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)鋪平道路。

IEE 提供了從方案設(shè)計(jì)、快速實(shí)時(shí)原型到實(shí)時(shí)測(cè)試的一體化解決體系，可以應(yīng)用于整個(gè)工程設(shè)計(jì)生命周期。

如圖2所示，整個(gè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程分為系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段和實(shí)時(shí)原型階段。前一階段利用MATlAB控制工具箱中的Simulink、Stateflow 等工具把具體的工程問(wèn)題通過(guò)建立模型轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析所依賴(lài)的對(duì)象，并仿真檢驗(yàn)控制效果，該階段直觀地利用Simulink的動(dòng)態(tài)分析、仿真功能。

圖2 控制系統(tǒng)IEE設(shè)計(jì)流程

在實(shí)時(shí)原型階段，應(yīng)用Real-time Workshop、Stateflow Coder、xPC、dSPACE 等工具生成高效可移植的實(shí)時(shí)代碼，自動(dòng)下載到實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，通過(guò)計(jì)算機(jī)上物理I/O 直接驅(qū)動(dòng)真實(shí)的物理對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)算法的實(shí)時(shí)測(cè)試，也為將來(lái)的硬件選擇和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)參考[4-5]。

IEE 完全可以應(yīng)用到伺服控制系統(tǒng)的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）把不同領(lǐng)域（機(jī)、電、液等）的工程師結(jié)合起來(lái)，協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，減少重復(fù)建模，共享數(shù)據(jù)；

2）更完整透徹地理解系統(tǒng)模型，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；

3）顯著地減少設(shè)計(jì)周期和實(shí)驗(yàn)次數(shù)；

4）多方案比較，快速進(jìn)行What-if分析，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

5）對(duì)不能夠用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行校驗(yàn)的場(chǎng)合進(jìn)行仿真；

6）工程各個(gè)階段的成果能夠平滑過(guò)渡、無(wú)縫集成。

2 IEE 在伺服控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

DDA 舵機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)是一套復(fù)雜的四余度控制系統(tǒng)，它包括與四余度舵機(jī)對(duì)應(yīng)的四余度數(shù)字伺服控制和故障監(jiān)控硬件線路（如圖3所示）及軟件的控制算法、故障監(jiān)控算法、余度管理策略等，而其中的軟件算法是整個(gè)控制系統(tǒng)關(guān)鍵。

為了更好地完成DDA 舵機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作，本文按照IEE 設(shè)計(jì)流程，應(yīng)用MATLAB的SIMULINK、STATEFLOW 和xPC 等工具完成了伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證等工作，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果和仿真驗(yàn)證無(wú)縫連接和平滑過(guò)渡。

圖3 DDA數(shù)字伺服開(kāi)展系統(tǒng)硬件原理圖

2.1 應(yīng)用方式

由于該系統(tǒng)為余度系統(tǒng)，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的余度管理方法和故障邏輯是否正確，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用Stateflow 按照有限狀態(tài)機(jī)原理對(duì)系統(tǒng)各種狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系和條件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

按照IEE 設(shè)計(jì)流程，在伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用SIMULINK 對(duì)DDA 舵機(jī)進(jìn)行了建模，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制算法和監(jiān)控算法，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真，具體參見(jiàn)圖5。

圖4 系統(tǒng)故障監(jiān)控邏輯

圖5 DDA伺服控制系統(tǒng)仿真圖

2.2 驗(yàn)證方案的選取與確定

快速原型化系統(tǒng)的目的就是盡快建立一定的硬件環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想進(jìn)行驗(yàn)證，作到邊設(shè)計(jì)、邊分析、邊驗(yàn)證，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量[6]。因此DDA 數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的快速原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)該遵循以下原則：

1）用成熟的貨架產(chǎn)品設(shè)計(jì)硬件環(huán)境和回路仿真；

2）充分應(yīng)用已有的成熟的DDA模擬伺服控制器的硬件環(huán)境；

3）充分應(yīng)用快速原型化系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，使系統(tǒng)達(dá)到物理上易于實(shí)現(xiàn)、功能上分布實(shí)施。

目前能夠與 MATLAB的RTW（Real-Time Workshop）系列軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接的主要有xPC 目標(biāo)環(huán)境和dSPACE系統(tǒng)兩種實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)?？紤]到采用PC機(jī)作為舵機(jī)數(shù)字控制器驗(yàn)證數(shù)字伺服的各種算法完全可以滿足試驗(yàn)穩(wěn)定性的需求，并且xPC提供的I/O 接口完全滿足數(shù)字伺服控制需求，所以DDA 舵機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的快速仿真原型選用了xPC 目標(biāo)環(huán)境。

2.3 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

模擬電路利用已有的模擬伺服控制電路進(jìn)行簡(jiǎn)單改造。數(shù)字伺服控制器硬件采用工控計(jì)算機(jī)加接口板卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，原型系統(tǒng)的軟件則采用MATLAB的RTW 工具箱代碼將DDA 舵機(jī)的控制模型自動(dòng)生成相應(yīng)控制軟件，并利用xPC 目標(biāo)環(huán)境加載到的工控機(jī)中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)DDA 舵機(jī)的實(shí)時(shí)控制，見(jiàn)圖6。

圖6 快速原型化數(shù)字伺服控制系統(tǒng)組成圖

應(yīng)用上述軟硬件環(huán)境，可以方便改變控制模型各種參數(shù)，并在設(shè)計(jì)早期驗(yàn)證DDA 舵數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的各種算法可行性和性能，提高設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)效率?？刂颇Ｐ桶丝刂扑惴?、監(jiān)控算法和故障邏輯等模型，如圖7所示。

圖7 單套數(shù)字伺服控制框圖

2.4 驗(yàn)證效果

在設(shè)計(jì)的早期就完成了伺服控制算法和監(jiān)控算法的仿真設(shè)計(jì)工作，并應(yīng)用實(shí)時(shí)原型系統(tǒng)控制實(shí)物DDA 舵機(jī)進(jìn)行各種性能試驗(yàn)，對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證和修訂，為實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。[6]通過(guò)模擬伺服控制DDA 和應(yīng)用PC 構(gòu)成快速原型數(shù)字伺服控制系統(tǒng)控制DDA 在階躍信號(hào)和正弦信號(hào)下實(shí)際響應(yīng)的比較可以看出，數(shù)字伺服控制器的控制效果與模擬伺服控制器完全一致，說(shuō)明數(shù)字伺服控制律滿足控制要求。為設(shè)計(jì)人員在數(shù)字伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段提供了良好的幫助。

3 還需進(jìn)行的工作

雖然在DDA 舵機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用了IEE 流程的大部分環(huán)節(jié)，但最后一個(gè)生成產(chǎn)品級(jí)代碼注入產(chǎn)品中的環(huán)節(jié)還沒(méi)有嘗試，這還需要進(jìn)一步努力。

4 結(jié)論

本文通過(guò)介紹IEE 設(shè)計(jì)流程及先進(jìn)工具，并在DDA 舵機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程應(yīng)用。

該方法的使用有效提高了數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，特別是代碼自動(dòng)生成功能，免除了大量瑣碎的人工編程和調(diào)試工作，縮短了仿真驗(yàn)證周期，

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