三轴仿真转台上位机控制软件的研究概要

三轴仿真转台上位机控制软件的研究

三轴仿真转台上位机控制软件的研究

Research on I PC ControlIer Software of3一Axis SimuIator

董海瑞高连生(北京航空航天大学,北京100083

摘要

仿真转台是对惯性导航系统进行可预测、可重复性研究的重要实验设备。上住机控制软件是仿真转台控制系统的关键

组成部分。针对上住机控制软件的目标、功能、结构和数据展开探讨,并给出了一种较为实用的软件模型。

关键词:转台,控制,软件,PMAC.

Abst怕ct

S}mu}ator ts an imponant equipment of predictabfe and repeatabIe experiments on 价e inert.aI navigation system.IPC con—troIler software is the key part of the controIIer system of the s.muIaCor.This paper sCudies on the object.functions.Struclure and daIa Of the IPC contrO¨er sOfhⅣare with a DracticaI sOfhⅣare mOdeI as cOnclusiOn.

K∞MOrds:simulalor.contro¨er,software.PMAC

1仿真转台

仿真转台是以控制理论、相似理论、系统技术和信息技术为基础,利用计算机和专用物理设备为工具,为惯性导航和制导系统仿真试验提供平台的关键设备【1】。它能够复现空间质心运动中的转角、角速度、角加速度等物理指标。由此,可以在地面试验室中真实地模拟导弹、飞行器等在空中的各种飞行姿态,以对敏感

元件、惯导系统、执行机构等加以测试。将昂贵的实物试验转化为试验室中可预测、可重复性研究,为实物试验提供充分的技术指标和试验数据。

此外,仿真转台还可以作为各种高精度跟踪设备,例如射电望远镜、大型天文望远镜、雷达、大型天线等的支撑平台。

按照转台台面所复现的角运动的自由度区分,仿真转台可分为单轴转台、双轴转台、三轴转台,甚至五轴转台阁。

三轴转台可以模拟空间三自由度的运动:偏航、俯仰和滚转运动。

2仿真转台控制系统

2。1仿真转台控制系统的组成

早期仿真转台的控制系统都是采用模拟控制。随着自动控制理论和数字计算机及其应用技术的不断发展,数字式控制系统已成为转台控制的发展方向。三轴仿真转台系统是由机械台体和计算机控制系统两个主要部分组成。前者是实现仿真功能的基础。而后者则是保证转台系统功能和性能的核心部分。

作为一种大型的复杂实验设备,转台既要满足一定的动态、静态指标要求,也要为实验提供方便的操作界面和数据采集、处理方法。其计算机控制系统不仅应具有实时控制功能,而且应具备监控管理功能,因此,计算机控制系统的研究就成为仿真转台设计和工程实现中的重要内容。

在转台控制系统中,除了用来产生输入信号的仿真机之外,计算机还扮演了控制器的角色。在这里,计算机可以是单片机、工控机或者是PC等。根据控制器的不同形式,计算机控制系统分为集中式、分布式、集散式三种类型。其中集散式控制器又分为PC机与单片机、PC机与PC机、PC机与嵌入式控制器三种形式。

本课题的控制系统采用上、下位机的结构。它的控制器位于下位机,由其给出具体控制算法,并由下位机总线上的各个分立器件(如放大器、D/A、A/D转换装置

等来完成输入控制信号和采集被控对象位置/速度等信息的功能,同时通过I/O板卡、线缆等媒介与上位机进行信息交换。(参考图1

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圈1上、下位机的体系结构

2.2仿真转台下位机控制系统

在下位机中,控制器的功能由一个各部分相对独立的系统来完成,使下位机在系统设计、控制算法实现、信号采集等方面都可以实现较为复杂的功能。

下位机控制器的核心是具有开放性的运动控制器。本课题中转台下位机控制器为PMAC(ProgrammabIe MuIti Axis Con. troIler。PMAC借助于MoloroIa公司的DSP56系列数字信号处理器,伺服更新率可达到20~30MHz,可以同时操纵1—8个轴。由于每一个轴都是完全独立的,一个PMAC运动控制器可以操纵8台不同机器的8个单轴,或者同一个机器的8个轴,或者两者之间的任意组合。同时,PMAC还集成了很多控制功能子模块,包括:直线和圆弧插补功能;三次样条轨迹计算;“S一曲线”加减速;后台PLC功能;执行运动程序;零位误差硬件位置捕捉;同时对8个轴进行直线和圆弧插补的多轴控制等等。此外,PMAC 可直接在PC×T/AT、VME、STD32、PCI、PCI04总线上运行,也可以脱离PC机单独运行。可以通过共享总线方式或串口通讯方式与PC机进行通信。与PC机之间的数据交换可以直接进行,也可以通过

双端口RAM快速交换圈。可见,以PMAC作为下位机控制系统的核心部件,是转台控制系统的理想选择。

2.3仿真转台上位机控制系统

转台控制系统中的上位机一般采用工业控制计算机(1PC,它是整个转台控制系统的终端,主要功能包括提供用户接口,整个系统控制参数的配置、处理和储存以及运动轨迹程序的下载等功能,通过这些接口、功能来完成用户的交互控制和转台状况信息的实时展示。本课题研究的控制系统软件就是运行于上位机中。

万方数据

3仿真转台上位机控制软件

3.1上位机控制软件的目标

仿真转台上位机控制软件,应当可以完成较通用的实验规划、运动控制、算法验证、数据处理、结果分析等功能;同时,软件模块应实现标准化,通用化,使之具有较强的可重用性和可移植性。因此。仿真转台上位机控制软件的设计目标旧:‘

1模块化。先设计出软件的总体功能结构、数据结构以及公共接口,然后按功能将各部分划为功能模块,再分别为各功能模块设计程序流程,分别编制,最后统一组装调试。模块化设计方有利于提高软件的可扩展性,并且可以做到良好的数据和代码封装,加强了软件的可靠性,后期维护也相对方便。

2扩展性。开放性的要求势必需要软件有一定的扩展性,通过提供标准接口,使用户可以直接自己开发扩展配置,增强相应功能。使用户可以利用现有软件的功能进行二次开发而不必重复开发。

3易用性。由于本课题涉及的控制理论和控制算法以及硬件设备参数极为复杂。用户不一定是具有相关专业素质的科技人员,所以设计时势必也要求软件具备较好的易用性。易用性可以细化为易理解性、易学习性和易操作性等。