回路硬件仿真技术在直升机控制系统中的应用

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1、副县长于全县非煤矿山暨安监站长工作会议的讲话同志们：今年以方法可以加快设计进程，但在系统整合时常常出现很多问题，而硬件回路仿真能有效解决这些问题，采用该技术可以在开发周期初瓴完成嵌入式软件仿真。本文以HIL技术砬在实验性动态直升机系统用嵌入式控制软嫖件中的应用为例阐述该技术的应用特点和辰方法。align=RIGHT VSP眯ACE=12 HSPACE=12 A玎LT="图1:直升机前视图和侧视图。÷"> 设计工程师一直在努力缩短新产缣品开发周期，而软硬件并行开发就是一种铩比较好的方法。通常这种方法需要多个独较立的软硬

2、件开发小组参与，这些小组的工噢作相互间独立、并行地进行。当原型硬件揩和嵌入式代码的主要部分实现后，就可以俊在系统整合阶段将硬件与软件合并起来并邕开始测试工作。 在系统整合时经常会鞭发生严重的问题，有些问题甚至会导致软敛件或硬件的重新设计。在问题成堆发生、ぼ成本持续升高或计划拖延太久的情况下，β有可能中断设计项目，有时甚至不得不取靛消项目。因此，人们需要找到更好的方法撺来解决这些问题。 13/13回路硬件(hardware-in-the-loop，HIL)仿真被证明是一种有效的解决方法。该技术能确保在开发周期早期就

3、完成材嵌入式软件的测试。到系统整合阶段开始时，嵌入式软件测试就要比传统方法做得擦更彻底更全面。这样可以及早地发现问题㈣，因此降低了解决问题的成本。 本文午所要讨论的就是采用了HIL仿真的一个总嵌入式软件开发项目。该项目的目标是开亩发和测试实验性动态“直升机”系统用的验嵌入式控制软件。有了HIL仿真后，人┲们无需使用除嵌入式处理器及其I/O接§口外的任何硬件就能完成该控制器软件的设计和测试。 随后的实际系统硬件与运行新软件的嵌入式控制器的连接首次便渔获得成功。在硬件、软件整合阶段唯一要绾做的额外工作是对一些控制器参

4、数的少量鹞调整，这是由于实际系统硬件与其仿真模画型之间毕竟存在差异。 直升机系统 本项目需要开发适合Quanser 癜3自由度(3DOF)直升机的控制器软狩件。这是一个桌面电磁系统，内含由两个忭独立电子马达控制的3个旋转轴，每个轴半驱动一个推进器。图1是直升机系统及其匡运动轴的框图。align=RIGHT鹜 VSPACE=12 HSPACE=簦12 ALT="图2:直升机控制系统揠。"> 13/13假设倾斜轴的倾角接近零度，伶在对两个马达施加相同的高电压后直升机箐会垂直向上攀升。对两个马达施加不同的垲电压会使直升机绕

5、倾斜轴旋转。为了使直墟升机向前移动，首先需要将直升机倾斜到宵一个非零角度，然后对两个马达同时施加谴适当的电压来产生向前的推力。 如图湿2所示，系统采用的控制计算机具有3个啤位置编码器输入信号、两个马达电压输出卧信号，以及用于模式选择与操纵杆控制的︸用户输入信号。控制计算机通过专门设计厂的接口卡接收位置编码器输入信号，同时淑产生模拟输出电压，并通过数模转换器(十DAC)驱动那两个马达。为了提供足够大的马达工作电流，DAC的输出需要连呕接到随后的功率放大器进行放大。 位婊置编码器会随时监测每个轴的运动，这些编码器通过光

6、学原理感知旋转运动并产生蠢数字化的角度位置数值。位置编码器将以铿每360°4096个步距，或°的量化基步距分辨率对这些数值进行量化。每个编坍码器的输出信号由两个TTL电平组成，即Phase A和Phase B，当虺对应轴反转时输出信号就在这两个高低电φ平之间来回切换。根据这两个信号之间的檫相位差可以判断每个轴的运动方向，如图痿3所示。脉冲频率正比于每个轴的旋转速怕率。 直升机控制器的性能指标满足要13/13在一定时间内将前进和上升轴移动到任意一个指定位置，时间一般应控制在10秒蕉以内。此外，直升机控制器的软件必须

7、支髓持其它一些操作模式。全套控制器操作模Ｕ式包括： 关闭模式:align=R璃IGHT VSPACE=12 HSPρACE=12 ALT="图3:位置编Ⅶ码器输出信号。"> 控制器软件以关闭模式启动，此时两个马达上的电压为零。一旦系统离开这个模式，就只能从空(漕Null)模式再次进入该模式。当从空辘模式进入关闭模式时，需要控制上升轴缓菟慢地下降到桌面正上方，然后将马达电压栾设置为零。 空模式: 当从关闭模咨式转变到该模式时，首选要给马达上电，圯并控制所有轴到零位置。如果从其它模式颓转变到空模式，那么只需要将所有轴控

8、制挽到零位置。零位置是指倾斜轴和前进轴在比系统启动位置，而推进组件被抬举到上升∴方向的水平位置，如图1所示。 随机锣模式: 在10秒时间间隔内为前进和揆上升轴位移命令产生预定义范围内的一个洱新随机值，然后由控制器软件将直升机移怕动到相应的位置。 自动驾驶模式: ν13/13在这种模式下，由操纵杆产生控制器所钻需的上升和水平行进命令