一種慣性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)半物理仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種慣性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的半物理仿真方法，用于克服慣性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)設(shè)計過程中存在的數(shù)學(xué)仿真難以達(dá)到理想效果，實(shí)物實(shí)驗成本高、周期長的缺點(diǎn)，適用于降低慣性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的設(shè)計成本，縮短研制周期。
【背景技術(shù)】
[0002]高分辨率對地觀測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軍事偵察、基礎(chǔ)測繪、災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。要實(shí)現(xiàn)理想的對地觀測，要求攝像載荷能夠保持穩(wěn)定，但是在實(shí)際情況下，由于大氣紊流和自身擾動等因素的影響，攝像載荷難以保持理想的穩(wěn)定狀態(tài)，使得視軸失穩(wěn)，導(dǎo)致成像質(zhì)量的下降，分辨率降低。為提高成像質(zhì)量，可將慣性穩(wěn)定平臺安裝于飛行器和遙感載荷之間，利用慣性穩(wěn)定平臺有效隔離載體的擾動及非理想姿態(tài)運(yùn)動。同時平臺可為遙感載荷提供穩(wěn)定的水平姿態(tài)基準(zhǔn)，顯著提高遙感載荷的成像質(zhì)量，并且可以保證遙感載荷在成像時的航向穩(wěn)定，提高航空遙感系統(tǒng)的作用效率，而這就對慣性穩(wěn)定平臺的精度指標(biāo)提出較高要求。
[0003]置信度高又方便經(jīng)濟(jì)的仿真方法對穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的設(shè)計具有重要的意義，在傳統(tǒng)控制理論研宄中可以利用Mat I ab/S imu I ink方便的進(jìn)行控制規(guī)律的設(shè)計與仿真，但是目前的Simulink仿真大多為非實(shí)時仿真，即純數(shù)學(xué)的建模與仿真，控制系統(tǒng)中的硬件環(huán)節(jié)由數(shù)學(xué)模型代替，往往達(dá)不到預(yù)期的理想仿真效果。而實(shí)物實(shí)驗不能對內(nèi)存，接口和通信等實(shí)時參量進(jìn)行評價，從而設(shè)計者必須不斷對自身的設(shè)計做出調(diào)整，開發(fā)周期相對過長。半物理仿真是指在仿真實(shí)驗系統(tǒng)的仿真回路中接入部分實(shí)物的實(shí)時仿真，從而充分利用數(shù)學(xué)仿真和實(shí)物實(shí)驗的優(yōu)點(diǎn)，使仿真具有更高的置信度，并降低成本、節(jié)約時間。慣性穩(wěn)定平臺半物理仿真系統(tǒng)能夠在實(shí)驗室條件下對穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行有效仿真和驗證，實(shí)現(xiàn)工程并行，縮短研制周期，降低研制費(fèi)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有方法的不足，提出一種置信度更高、周期更短、花費(fèi)更低的慣性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)仿真方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種慣性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)半物理仿真方法，其特點(diǎn)包括:
[0006]1、慣性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)由控制器、功率驅(qū)動電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、受控對象和傳感器組成，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直流力矩電機(jī)，受控對象為穩(wěn)定平臺。在本方法中，控制器、功率驅(qū)動電路、電流檢測電路采用實(shí)物，直流力矩電機(jī)采用感性負(fù)載電路進(jìn)行代替；將動力學(xué)模型、穩(wěn)定平臺的姿態(tài)控制律、穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)速和角位置的檢測反饋環(huán)節(jié)使用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型代替；計算機(jī)利用RTW實(shí)時仿真程序通過串口和數(shù)字信號處理器DSP實(shí)時地控制功率驅(qū)動電路的輸出電壓，同時將功率驅(qū)動電路輸出的電流值實(shí)時采集反饋至數(shù)字模型，從而構(gòu)成整個半物理仿真系統(tǒng)。
[0007]2、半物理仿真方法的實(shí)物部分包括控制器、功率驅(qū)動電路、電流檢測電路和用來模擬直流力矩電機(jī)的感性負(fù)載電路；控制器選用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F28335型DSP，TMS320F28335為32bit浮點(diǎn)型DSP，其工作主頻達(dá)150MHz，有12路PWM輸出，其中6路是高精度PWM波通道，非常適合電機(jī)控制；功率驅(qū)動電路采用H型雙極模式PWM控制方式對直流力矩電機(jī)的電樞電壓進(jìn)行控制，H型雙極模式PWM功率轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)元件采用功率型場效應(yīng)管，工作過程中同一組中的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通、同時截止，兩組開關(guān)之間以非常高的頻率交替導(dǎo)通和截止，通過改變一個周期內(nèi)接通與斷開時間的長短，即改變直流力矩電機(jī)電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向；電流檢測采用如下方法，在電樞回路中串入一個低溫漂低阻值的專用采樣電阻，將采樣電阻兩端電壓連接到專用的高精度、寬共模范圍、雙向電流分流監(jiān)視器的輸入端，監(jiān)視器的輸出經(jīng)過低通濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后將電流值傳送到DSP。
[0008]3、將動力學(xué)模型、穩(wěn)定平臺的姿態(tài)控制律、穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)速和角位置的檢測反饋環(huán)節(jié)使用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型代替；基于方框圖建模工具Simulink對慣性穩(wěn)定平臺動力學(xué)模型及慣性穩(wěn)定平臺工作過程中可能受到的干擾力矩進(jìn)行建模，并設(shè)計控制方法，采用Mathworks公司的RTW(Real-Time Workshop)將Simulink程序自動轉(zhuǎn)化成實(shí)時程序；程序中的串口模塊用于接收實(shí)物部分測量得到的功率驅(qū)動電路輸出的電流值，由于直流力矩電機(jī)的輸出力矩和電樞電流具有良好的線性度，因此將電流值乘以直流力矩電機(jī)的力矩系數(shù)可以計算出直流力矩電機(jī)的輸出力矩，將此力矩代入到如前所述的模型中，可以得到平臺的角位置和角速度，根據(jù)每一時刻的電樞電流值、穩(wěn)定平臺的角速度及角位置、所設(shè)計的控制方法得到下一時刻的電樞電壓期望值，將此期望值進(jìn)行處理后通過串口發(fā)送到控制器DSP，由控制器DSP控制功率驅(qū)動電路改變電樞電壓。
[0009]4、在進(jìn)行半物理仿真時，因為電機(jī)所拖動的負(fù)載，即慣性穩(wěn)定平臺的臺體是由數(shù)學(xué)模型代替，電機(jī)并不帶動真實(shí)負(fù)載，所以如果功率驅(qū)動電路直接輸出期望的電壓，電機(jī)并不會產(chǎn)生真實(shí)的轉(zhuǎn)速，由直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)可知，電機(jī)轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的反電動勢，不真實(shí)的轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致不真實(shí)的反電動勢，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)的電壓-電流關(guān)系與實(shí)際不符合，為解決這個問題，將電機(jī)堵轉(zhuǎn)或是用電感和電阻相串聯(lián)的感性電路來模擬電機(jī)，其中所用電感和電阻分別等于直流力矩電機(jī)的電樞電感和電樞電阻。根據(jù)電機(jī)的反電動勢系數(shù)和數(shù)學(xué)仿真部分得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速，二者相乘計算出反電動勢，計算機(jī)通過串口將原本的期望電樞電壓與反電動勢的差值傳送給DSP，即控制功率電路的輸出為原本的期望電樞電壓與反電動勢的差值，這樣能得到接近真實(shí)的電機(jī)電樞電流。
[0010]本發(fā)明的原理:慣性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真是基于由理論推導(dǎo)而得到的數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)的，但實(shí)際上很多環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)難以用數(shù)學(xué)模型描述清楚，如PWM功率驅(qū)動單元的傳遞函數(shù)只是理論近似，由于是開關(guān)控制，兩組開關(guān)之間是交替導(dǎo)通和截止，交替頻率非常高，且直流力矩電機(jī)為感性負(fù)載，在電樞回路中的電流變化過程非常復(fù)雜，進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真難以得到準(zhǔn)確結(jié)果。如果全部采用實(shí)物，即進(jìn)行全物理仿真，投資較大，模型改變困難，實(shí)驗限制多。半物理仿真能夠?qū)崿F(xiàn)控制器的快速原型化，發(fā)揮數(shù)學(xué)仿真模型改變靈活，節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)，同時將數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確仿真的環(huán)節(jié)用實(shí)物代替串入到仿真回路中，具有非常高的置信度并能夠發(fā)揮實(shí)物實(shí)驗實(shí)時性好的優(yōu)點(diǎn)。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:半物理仿真結(jié)合了數(shù)學(xué)仿真與實(shí)物實(shí)驗的特點(diǎn)，解決了直接進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗時模型改變困難、實(shí)驗限制多，進(jìn)行純數(shù)學(xué)仿真難以得到準(zhǔn)確結(jié)果的問題，充分發(fā)揮實(shí)物實(shí)驗實(shí)時性好、置信度高的優(yōu)點(diǎn)和數(shù)學(xué)仿真方便、靈活、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)T性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的設(shè)計周期縮短，設(shè)計成本降低。
【附圖說明】
[0012]圖1為單軸慣性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)工作原理圖
[0013]圖2為半物理仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
[0014]圖3為IR2130典型應(yīng)用電路
[0015]圖4為3.3V與5V邏輯電平轉(zhuǎn)換電路原理圖
[0016]圖5為光耦隔離電路原理圖
[0017]圖6為光耦輸出信號反相整形電路原理圖
[0018]圖7為升壓模塊與功率輸出部分電路原理圖
[0019]圖8為電流檢測及濾波電路原理圖
[0020]圖9為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖
【具體實(shí)施方式】
[0021]慣性穩(wěn)定平臺三個軸的控制結(jié)構(gòu)基本相同，故首先建立單軸慣性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。單軸慣性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示。
[0022]慣性穩(wěn)定平臺屬于機(jī)電一體化的運(yùn)動伺服系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)是由電流環(huán)、速率環(huán)(穩(wěn)定回路)和位置環(huán)(跟蹤回路)組成的三閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直流力矩電機(jī)，被控對象為穩(wěn)定平臺臺體，速率陀螺為角速率傳感器，POS或加速度計為位置傳感器?？刂葡到y(tǒng)的工作原理為伺服控制器根據(jù)速率陀螺敏感到的框架角速率信息和加速度計或POS測量出的姿態(tài)和位置信息產(chǎn)生控制信號給力矩電機(jī)，力矩電機(jī)輸出驅(qū)動力矩以抵消干擾力矩并驅(qū)動框架轉(zhuǎn)動，達(dá)到穩(wěn)定和跟蹤的目的。
[0023]本發(fā)明的核心思想是將慣性穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)中用數(shù)學(xué)模型難以描述清楚、采用數(shù)學(xué)仿真難以達(dá)到接近真實(shí)效果的部分用實(shí)物代替，使用數(shù)學(xué)模型能夠相對準(zhǔn)確仿真的部分仍采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，從而結(jié)合實(shí)物實(shí)驗與傳統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真的優(yōu)點(diǎn)，在較低成本條件下，盡量真實(shí)地模擬系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時的狀態(tài)，并能夠方便地改變模型。
[0024]基于以上思想，在慣性穩(wěn)定平臺半物理仿真系統(tǒng)中控制器、驅(qū)動電路以及電流檢測電路采用實(shí)物，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即直流力矩電機(jī)用一個電感和電阻串聯(lián)的感性負(fù)載電路來模擬。需要特別指出，感性負(fù)載電路中的電阻值和電感值分別等于直流力矩電機(jī)的電樞電阻和電樞電感，以此來模擬直流力矩電機(jī)的電氣特性，由于電機(jī)沒有產(chǎn)生真實(shí)的轉(zhuǎn)速，仿真過程中也就沒有真實(shí)的反電動勢，仿真時要根據(jù)數(shù)字部分得到的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的反電動勢系數(shù)，二者相乘計算出反電動勢的值，仿真過程驅(qū)動電路的輸出電壓為原本期望的電樞電壓與計算得到的反電動勢的差值，這樣能得到近似真實(shí)的電機(jī)電樞電流。將動力學(xué)模型、穩(wěn)定平臺的姿態(tài)控制律、穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)速和角位置的檢測反饋環(huán)節(jié)使用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型代替，基于方框圖建模工具Simulink對慣性穩(wěn)定平臺動力學(xué)模型及慣性穩(wěn)定平臺工作過程中可能受到的干擾力矩進(jìn)行建模，并設(shè)計控制方法，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字部分和實(shí)物部分的聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)仿真的實(shí)時性，采用Mathworks公司的RTW(Real-Time Workshop)將Simulink程序自動轉(zhuǎn)化成具有實(shí)時性的xPC Target目標(biāo)程序。數(shù)字部分和實(shí)物部分的連接采用如下方式:實(shí)物部分通過串口將檢測到的電流值傳送到計算機(jī)，由于直流力矩電機(jī)輸出的力矩與電樞電流呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，因此數(shù)字部分可以通過電流值計算得到電機(jī)的輸出力矩，然后帶入到動力學(xué)模型進(jìn)行仿真，得到平臺的角速度和角位置。由每一時刻的動力學(xué)仿真結(jié)果和控制算法能夠計算出電機(jī)內(nèi)部的反電動勢和下一時刻功率驅(qū)動電路的期望輸出電壓，數(shù)字部分將期望輸出電壓與反電動勢的差值通過串口傳送給實(shí)物部分的控制器，由控制器控制功率驅(qū)動電路改變電樞電壓，從而構(gòu)成完整的仿真回路并實(shí)現(xiàn)仿真的實(shí)時性。
[0025]半物理仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
[0026]首先將一臺計算機(jī)作為xPC Target宿主機(jī)，在宿主機(jī)中建立數(shù)字部分對應(yīng)的Simulink模型，利用RTWT具箱將Simulink模型轉(zhuǎn)化成能夠進(jìn)行實(shí)時仿真的xPC Target目標(biāo)程序，然后采用U盤制作xPC Target目標(biāo)