摘 要：現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)研制過程中,飛行仿真試驗是必不可少的重要步驟。三軸仿真轉(zhuǎn)臺則是半實(shí)物飛行仿真試驗系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備,它用來真實(shí)復(fù)現(xiàn)飛行器在空中飛行時的角運(yùn)動。目前，現(xiàn)有的三軸仿真轉(zhuǎn)臺不滿足新型無人機(jī)仿真的特殊要求。本文介紹了一種適用于無人機(jī)仿真實(shí)驗的三軸仿真轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的基本組成、總體設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究。 關(guān)鍵詞：ISA總線三軸轉(zhuǎn)臺 計算機(jī)控制 控制系統(tǒng) 1、引言 　　在現(xiàn)代飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)研制和使用過程中,飛行仿真試驗是必不可少的重要步驟。姿態(tài)仿真轉(zhuǎn)臺則是半實(shí)物飛行仿真試驗系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備,它用來真實(shí)復(fù)現(xiàn)飛行器在空中飛行時的角運(yùn)動。由于無人機(jī)發(fā)展的速度很快，現(xiàn)有的各種三軸仿真轉(zhuǎn)臺不能完全滿足新型無人機(jī)的姿態(tài)仿真的需要。為了能夠滿足實(shí)際的需要，我們設(shè)計出了一套新型無人機(jī)姿態(tài)仿真轉(zhuǎn)臺，基于該平臺，可實(shí)現(xiàn)純數(shù)學(xué)仿真和半實(shí)物飛行仿真，達(dá)到了較高的水平。 2、系統(tǒng)總體設(shè)計 　　該三軸仿真轉(zhuǎn)臺是一臺電動機(jī)械軸承全方位回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺。要求能夠完全滿足××型無人機(jī)在實(shí)驗室內(nèi)進(jìn)行空中姿態(tài)的模擬仿真，并且能夠檢測出該型號無人機(jī)飛行控制計算機(jī)的性能指標(biāo)。 　　2.1系統(tǒng)的總體要求 　　（1） 快速性 為實(shí)時姿態(tài)模擬，必須在單位時間里將系統(tǒng)的全部狀態(tài)變量都計算一遍，為此，必須合理優(yōu)化系統(tǒng)模型，在仿真算法上尋求解決辦法。 　　（2） 實(shí)時性 為了了解無人機(jī)的性能，必須在采用實(shí)時算法，在小于采樣時間里解算出無人機(jī)的狀態(tài)方程。 　　（3） 同步性 為了使三軸仿真轉(zhuǎn)臺達(dá)到快速性和實(shí)時性，必須滿足整個系統(tǒng)的各個模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸保持同步性或者微小的延遲，延遲時間必須遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的采樣時間和解算狀態(tài)方程的單位時間。 　　（4） 抗干擾性 為了使系統(tǒng)在各種情況下都能正常的工作，必須使系統(tǒng)具有良好的抗干擾性。 　　（5） 交互性 為了使系統(tǒng)能更好的工作，在設(shè)計整個系統(tǒng)時要保證系統(tǒng)具有良好的交互界面，滿足使用者的要求。 　　2.2系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 　　整個三軸仿真轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)從總體上可分為兩大部分：轉(zhuǎn)臺臺體和控制系統(tǒng)。其中轉(zhuǎn)臺臺體部分根據(jù)具體無人機(jī)的特殊要求設(shè)計不同的結(jié)構(gòu)。 　　轉(zhuǎn)臺臺體分為俯仰環(huán)（外環(huán)）、方位環(huán)（中環(huán)）和滾轉(zhuǎn)環(huán)（內(nèi)環(huán)）三部分構(gòu)成，通過精密加工和裝配保證了轉(zhuǎn)臺機(jī)械框架和軸系精度、垂直度和相交度。三軸皆通過步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，來控制轉(zhuǎn)臺的位置、速度及加速度。同時，在設(shè)計轉(zhuǎn)臺臺體時，要通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計使整個轉(zhuǎn)臺具有很好的靈活性和可解耦性，本文不作具體介紹。 　　控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分。根據(jù)各部分功能特點(diǎn)又可以分為：測角分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、速率分系統(tǒng)和控制計算機(jī)。其中控制計算機(jī)又是控制系統(tǒng)的核心。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下： [align=center] 圖1 系統(tǒng)組成方框圖（以單自由度為例）[/align] 　　由于實(shí)際的需要和具體的要求，我們在設(shè)計中采用了工業(yè)控制計算機(jī)，各個分系統(tǒng)之間的通信采用ISA總線，增加了整個控制系統(tǒng)設(shè)計的靈活性;同時，在選擇控制方法時，可以驗證一些比較新的、復(fù)合的控制方法以及一些智能控制方法。通過試驗這些控制算法，提高了整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度、改善系統(tǒng)的動態(tài)性能以及系統(tǒng)的精度，同時還拓寬系統(tǒng)的頻帶。 3、系統(tǒng)硬件設(shè)計 　　由于此三軸仿真轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)是用來在實(shí)驗室內(nèi)精確復(fù)現(xiàn)飛行器在空中自由運(yùn)動,所以控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣將直接影響仿真的精度和仿真結(jié)果的可信度。 　　為了達(dá)到性能指標(biāo)，在分系統(tǒng)的設(shè)計上要符合整個系統(tǒng)的精度要求。由于此轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)主要是用于實(shí)驗室內(nèi)對于無人機(jī)的姿態(tài)模擬，而且由于無人機(jī)自身的功能要求和性能特點(diǎn)，本系統(tǒng)對測角系統(tǒng)的精度沒有太高的要求，而對于轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動自由度及靈活性有較高的要求。基于此，本系統(tǒng)的主要硬件部分設(shè)計采用以下的功能器件： 　　3.1 步進(jìn)電機(jī) 　　本系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)采用MSMA042A1G型步進(jìn)電機(jī)，通過向步進(jìn)發(fā)送脈沖方波來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，通過所發(fā)脈沖的頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的速度，具有使用簡單，控制精度高等特點(diǎn)。 　　3.2步進(jìn)電機(jī)控制器及控制電路 　　步進(jìn)電機(jī)的控制卡采用8254定時/計數(shù)器產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖方波，并對輸出脈沖進(jìn)行計數(shù)。將8254的計數(shù)器0設(shè)定在方波發(fā)生器工作方式，計數(shù)器2設(shè)定在計數(shù)器方式通過控制計數(shù)器0來控制脈沖輸出，計數(shù)器2對輸出脈沖進(jìn)行計。計數(shù)器2中設(shè)定的脈沖數(shù)量來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角;通過控制計數(shù)器0來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度。 　　3.3測角元件 　　測角元件采用垂直陀螺和磁航向儀。垂直陀螺儀和磁航向儀通過感受三軸轉(zhuǎn)臺的三個方位角，反饋回相應(yīng)電壓，通過控制計算機(jī)進(jìn)行計算，使得三軸轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動到所要求的位置。 　　基于以上功能器件所設(shè)計的三軸仿真轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)能夠很好地滿足整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)，而且通過在軟件部分加入其他方法，可以大大提高系統(tǒng)地精度和響應(yīng)速度。 4、系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　整個控制系統(tǒng)的控制方法和策略主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的軟件部分。控制系統(tǒng)的軟件部分又可以分為：交互界面和控制方法兩大部分。 　　對于交互界面主要是滿足使用者的需求，方便于使用和維護(hù)。 　　4.1控制方法 　　控制方法是控制系統(tǒng)中的核心部分，主要包括： 　　（1） 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)模型是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)和對象，根據(jù)實(shí)際被仿真的對象所建立的數(shù)學(xué)模型，是實(shí)際系統(tǒng)的一個近似。好的數(shù)學(xué)模型是在滿足實(shí)際對象特征和性能要求的基礎(chǔ)上，所建立的盡可能簡單的模型。本系統(tǒng)所建立的數(shù)學(xué)模型是在××型無人機(jī)的基礎(chǔ)上建立的，能夠滿足該型號無人機(jī)的基本特征和控制系統(tǒng)的性能要求。 　　（2） 控制率和控制算法。控制率和控制算法是在所建立的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能而采取的控制策略和控制方法。常用的控制率和控制方法主要有古典控制方法和現(xiàn)代控制方法。本系統(tǒng)采用的控制率主要是根據(jù)該型號無人機(jī)而定的，采用古典和現(xiàn)代控制方法相結(jié)合的控制策略。 　　4.2軟件流程 　　軟件流程根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行編寫。由于本系統(tǒng)主要是用于實(shí)驗室內(nèi)仿真使用，具體的流程圖如下： [align=center] 圖2 系統(tǒng)軟件流程圖[/align] 5、關(guān)鍵問題及解決方案 　　對于大型的仿真設(shè)備都會由于機(jī)械設(shè)計及加工等方面的影響，會受到機(jī)械諧振的不利影響，這使得系統(tǒng)的性能受到很大的影響，為了解決這一問題，我們在控制方法的選擇上采用了最優(yōu)控制以及利用數(shù)模混合方式設(shè)置了帶阻濾波器，很好的解決這一問題。 　　由于摩擦力矩的存在，轉(zhuǎn)臺在低速運(yùn)行的時候，很容易低速爬行以及速率波動等現(xiàn)象。為達(dá)到期望的靜態(tài)和低速指標(biāo)，必須對系統(tǒng)的摩擦力矩進(jìn)行補(bǔ)償，在控制上采用增大比例增益和提高積分作用來改善系統(tǒng)的低速性能。 　　由于低速性能要求增加積分作用和比例增益以及動態(tài)性能受到機(jī)械諧振的影響，單一的控制方法不能滿足要求。為此，采用了一些復(fù)合控制方法，使系統(tǒng)在不同的狀態(tài)和指標(biāo)要求下都具有不同的適應(yīng)性。 6、小結(jié) 　　通過以上所采取的系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件部分設(shè)計和軟件部分設(shè)計，該轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)可以很有效地滿足××型無人機(jī)在實(shí)驗室內(nèi)進(jìn)行姿態(tài)模擬仿真的要求了;同時，在設(shè)計系統(tǒng)軟件部分時，通過更改系統(tǒng)模型參數(shù)，可以同時滿足其他多種無人機(jī)實(shí)驗室仿真的需要，檢驗無人機(jī)的各項硬件參數(shù)、軟件的性能及工作的可靠性。 　　另外，該型號的仿真轉(zhuǎn)臺也可以滿足一些低精度的陀螺儀和慣性組合的測試。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 余德義等.NH-96無人駕駛飛機(jī)飛行仿真系統(tǒng). 南京航空航天大學(xué)學(xué)報，1998，30：1 　　[2] 仿真轉(zhuǎn)臺克服低速滯滑的判據(jù)研究.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2002，22：7 　　[3] 文傳源.現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng).北京航空航天大學(xué)出版社.1992