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
I:付帆礁《蚁,卜
F位机
一匝习
数’一pO羊【JAD#按
1.圈
巨圈<固
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。

4可靠性。

作为一个转台的控制软件。

其可靠性相当关键。

对仿真转台而言,其出错情况可以分为两种,一是用户输入参数导致出错。

这可能会导致本次实验数据错误或无效,属于轻度错误;二是控制回路中传输数据错误,这种错误则可能会对转台造成永久性硬件损伤。

因此我们需要编写针对以上两种错误处理模块,以保证控制软件具有较高的可靠性。

3.2上位机控制软件的功能设计
根据需求分析及目标定义,转台控制系统软件主要功能有:
1通信:通过USB接口、数字I/O卡、并口和串口等媒介,实现上位机与下位机控制器、各种控制元器件之间的通信功能。

2初始化和归零:在上位机上电后,对软件各个模块进行检测,初始化各类配置参数,检查下位机并进行通信测试,显示白检结果。

初始化完成后,为了防止误操作,提示用户进行转台上电和归零操作。

归零功能可使转台的三个轴分别低速转动到用户事先设定好的绝对坐标零位置上。

3参数设定:通过键盘或鼠标的输入,可以查看和设定转台系统的所有参数,并能自动检查和记录参数设定值。

4控制模式选择:系统可以允许用户选择本地控制、远程控制、模拟信号控制三种不同的控制模式,并根据用户的选择,提供给用户不同的控制界面和控制参数。

5运动模式选择:系统可以选择位置、速度、正弦三种不同的运动模式,还可以具体选择某一个轴的运动模式。

设定运动模式后,系统便可根据用户输入的运动参数,在不同的运动模式下完成相应的操作。

6数据采集:转台三个轴的位置、速度、状态等信息的实时采集与显示。

7故障报警:基于用户输入的各类参数和数据库中的基本参数,联系PMAC的实时采集数据,监控整个系统的状态,检测出故障或异常,并做出相应的报警和处理。

8数据分析:软件能够将试验过程中的所有重要状态信息一一记录下来,并能对这些数据进行比较分析。

3,3上位机控制软件的结构设计
软件设计应用的方法和模式直接影响到了这个项目完成的好坏、成败。

随着控制系统系统的应用越来越广泛,而控制系统系统的复杂度越来越高。

选择一个合适的软件结构已经是一个十分关键的步骤。

根据转台控制的基本模型,依据
MVC(Mod—eI—View—Contro¨er模式,确定本软件的结构划分为:人机交互模块、状态显示模块、数据库维护模块、数据处理模块和硬件接口模块。

(见图2
圈2控制软件的模块结构图
人机交互模块的主要功能是提供给用户一个输入运动参数和配置信息的接口,可以接收用户输入的各种控制参数,然后将这些参数传递给数据处理模块进行检查和计算,当数据处理模块检查、计算完毕后,人机交互模块将所有的运动参数进行编译,传递给硬件接口模块。

状态显示模块的主要工作是接收硬件接口模块传递回来的仿真转台实时信息(经数据处理模块处理后的信息,将这些实时信息进行反编译。

然后在上位机的终端上将这些信息展示出来。

这一模块采用查询模式,不间断地与下位机进行通讯,同时刷新显示数据。

数据库维护模块的基本作用是提供给用户一个友好的数据库接口,允许用户在权限范围内对数据库中相应的数据进行维护。

同时,数据库维护模块还是其他模块的数据源之一,允许数据处理模块在从本模块内提取数据并做二次处理,以适应不同模块对于数据的需求。

数据处理模块是整个软件的业务核心模块。

也是提高软件整体健壮性的关键模块,数据处理模块对于数据的动作分为三大部分,一部分为错误数据的容错处理,主要是对于其他模块接收来的数据进行错误检查,通过与数据库维护模块的数据交换和比对计算,得出对数据的错误检查结果;第二部分为操作完整性的检查,转台的每一个
运动轨迹或运动过程都是在用户通过一系列的终端操作形成的指令集的控制下完成的。

在每一个指令集的形成过程中,数据处理模块对用户的终端操作进行检查,确定合理的操作,排除用户的错误操作;最后一部分是数据计算.各个接口、终端、模块传输来的数据,其坐标系、格式、单位都是不尽相同的,在控制软件内部这些数据都是通过本模块作为中间层来进行交互的。

硬件接口模块是上位机与下位机通讯的基础,在本课题中,这一模块包括两个部分,一个是PMAC接口,主要负责软件与PMAC之间的通讯,将控制指令发送给PMAC,并接受PMAC 的反馈信息(如图3。

另一个是数字I/O卡接口,此接口的作用是与数字I/O卡进行数据交互。

数字I/O卡的作用主要是对下位机中的一些控制元器件进行控制。

3.4上位机控制软件的数据管理
数据管理主要包括数据的输入输出和数据的分析处理两个部分:.(下转第55页
万
方数据
务周报表、财务月报表、财务极度报表、财务年报表、财务总报表。

出库清单是系统发生交易的原始凭证,包括出库的零件代号、零件名称、零件单价、出库数量、及本次出库总金额。

财务报表能按时间要求提供财务情况报告。

其中包括零件代号、零件名称、出库数量、零件单价等。

设备维护管理:包括机械系统设备分布情况、电器系统设备分布情况、收费监控系统设备分布情况,都是以数据树形式出现,很直观的了解系统分布情况及零部件组成情况。

工具管理:包括工具的分类和零部件所用工具的查询。

工具的分类为专用工具(含机械系统专用、电器系统专用、微机网络系统专用和公用工具。

零部件所用工具查询就是要维护或修理某一零部件时通过查询,可以知道要带什么工具,会用到什么工具,这样更有针对性,可以节约时间,缩短施工周期。

工作记录:包括巡查记录和维修养护记录。

主要为了保留第
一手技术资料,也是为了总结经验,为以后的养护水平提高做量的积累。

系统维护:主要包括数据备份、数据更新。

为了数据的安全,对系统数据备份处理。

当有零部件报废等情况发生时,可对系统相关数据进行更新。

其他功能:主要就是修改口令。

为了保护数据的安全性和使整个系统的运作更具层次感。

模块组成如图3所示。

2。

4系统的具体实现
系统的具体实现,是通过以下步骤一步一步实现的:①项目、数据库与表的设计;②建立索引和永久关系;⑧表单的设计;
(上接第53页
避嘲[三
I竺:!竺!!:
操f1=系统饮心
幽里]
田3系统模块
(多菜单的设计;(9财务报表的创建;⑥应用程序框架的构造;(D 连编应用程序。

3结束语
VFP数据库船闸养护系统采用了多种信息表达方式,不仅有文字、数据、图形和相片,还有声音、影像和动漫。

该系统采用的表达方式生动形象的表现了船闸大量技术资料信息,改变了传统手工管理阶段船闸信息分散,不易查阅的状况。

为快速准确排除设备故障和及时按规程对设备进行养护提供了重要依据。

它的应用极大地提高船闸管理数据的效率,为船闸的安全畅通提供了有力保证。

【收稿日
期:2007.7.22】
_¨◆¨◆m◆-●”◆_o◆㈣-◆¨◆・n¨◆lH◆_-・●“”●一.¨
圈3PMAC接口示意图
数据的输入输出包含以下几个部分:
1界面数据交互:软件系统提供统一形式的数据输入输出界面,以输入和显示必要的过程数据;
2格式化文件数据:这类数据主要是系统的初始参数和原始状态参数,包含少量的校准参数;
3实时采集数据:与下位机控制系统通过实时通信采集过程数据;
4软件共享:来自于其它软件包(主要是数据库的数据。

上位机的数据处理内容主要包括:
1原始数据滤波;
2数据调整:通过可视化图形观察及操作剔除不合理和不必要的数据.选择必要的数据;
3数据规整:转换或格式化,引入及输出。

综上,所有的数据处理都要求具有数据的上传、下载和转发三个基本功能。

实现按照数据的不同来源、格式和功能,整理、解析和编译数据,在控制软件内部遵循一套统一的读写标准,以便在不同硬件与模块接口之间进行数据的共享和交换。

3.5上位机控制软件的基本控制数据
基于以上提出的数据管理模式下,要实现控制目标。

一整套通用的三轴转台控制软件基本控制数据就是本课题的研究和实现的核心部分。

根据转台控制的特点,可以确定,整套控制数据是以PID控制参数为中心,依据转台的机械性能和控制性能指标确定出来。

这些数据可以分为三类,第一类为转台数据,用来控箭、记录转台的各项指标;第二类为电机数据,主要是针对三个轴的数据;第三类为运动数据,主要是当前运动过程中使用到的数据。

参考文献
[1]周长义.三轴飞行仿真转台控制系统设计与控制算法研究【D】.长春:中国科学院研究生院,嬲
[2]陈康转台系统通用软件的研究【D】.西安:西北工业大学,2004
[3]元茂兴公司.PMAC用户使用说明书【K】.北京:元茂兴公司,2004
[4]邵黎君.基于CAN总线的仿人机器人关节控制系统研究【D】.北京:
清华大学。

2004
[收稿日期:2007.7.21]
万方数据
三轴仿真转台上位机控制软件的研究
作者:董海瑞, 高连生
作者单位:北京航空航天大学,北京,100083
刊名:
工业控制计算机
英文刊名:INDUSTRIAL CONTROL COMPUTER
年,卷(期:2007,""(12
被引用次数:1次
参考文献(4条
1.周长义三轴飞行仿真转台控制系统设计与控制算法研究[学位论文] 2005
2.陈康转台系统通用软件的研究[学位论文] 2004
3.元茂兴公司PMAC用户使用说明书 2004
4.邵黎君基于CAN总线的仿人机器人关节控制系统研究 2004
相似文献(10条
1.期刊论文刘迅.戎亚新.LIU Xun.RONG Ya-xin Windows下变时间步长控制在速率转台控制中的应用-航空兵器2006,""(2
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2.学位论文郑罕高精度转台系统中的控制技术研究2008
转台是具有重大经济价值和国防战略意义的高精尖仿真试验设备,在卫星、飞机、导弹、舰艇和鱼雷等武器系统的研制中起着极其重要的作用。

转台性能的优劣关系到仿真试验的可靠性和置信度,也是保证航空、航天和武器系统精度和性能的基础。

因此,对转台的高精度、高频响、整体制造水平和性能、伺服控制系统设计与实现提出了更高的要求。

论文研究的大型高精度电液伺服转台是飞行器的测试和仿真重要工具,与经典的自破坏性全实物实验相比,具有造价低、可重复测试、极其安全等优点,具有越来越广泛的应用。

此转台采用全电微动控制方式,其难点在于大型电液转台的研制时间长、造价高、场地要求高、控制复杂等因素。

论文针对电液伺服转台,在理论分析与实际试验研究的基础上主要研究液压转台各个主要部件中的控制技术。

在转台油源系统中,针对高精度转台油源压力波动的特点,对高精度恒压油源波动进行了详细的理论研究和试验分析,在此基础上提出了多种针对双比例压力调节阀的主动控制方案,选择设计了针对高精度恒压油源控制系统的控制器;在转台中框的设计过程中,考虑转台中框受液压马达摩擦和外框耦合干扰较大,分析了摩擦和耦合干扰问题,给出了基于CAR-IMA模型和NARMA模型的预测控制系统。

在此预控系统中,将NARMA模型转换为基于神经网络的NARMA-L2网络模型,在实际控制器试验中,设计的PID控制器,在仿真中分析证明了控制器的实用性与可靠性;在转台外框控制系统中,转台外框的特点是双马达驱动,双马达同步控制,也是本论文研究的重要方面。

论文分析了转台外框同步控制过程中的干扰因素,在此基础上提出了基于模糊神经网络的转台速度反馈同步控制技术,同时在速度反馈基础上运用自适应滑模控制器控制角度反馈系统进行高精度控制;对基于自适应控制的滑模控制器进行稳定性分析,针对外框非线性干扰的特点,提出Hammerstein多变量解耦预测模型控制系统,在MATLAB中搭建控制器的仿真系统,并用试验的方法验证了外框控制技术的精度要求:在各种控制体统中,控制的实时性必须得到保证。

所以实时控制系统也是本文研究的一个重要内容之一,论文在比较多种实时控制方案以后,选定了基于RTX的实时控制系统,进行了相应的软硬件设计,
实验的结果均满足论文所提出的实时控制要求。

实际试验不仅满足高精度系统实时性,也满足控制系统的设计要求。

3.会议论文龚珊五轴转台控制软件设计2005
五轴转台前端控制软件的设计为半实物仿真试验提供了转台的功能实现,完成了目前转台要求的所有工作形式,并详细阐述了仿真试验中转台的工作流程及软件的设计方法
4.学位论文苏婷婷三自由度转台的控制与应用2006
本文以预研项目“船舶减摇控制研究”为应用背景,完成了三自由度转台的设计及控制。

三自由度转台是在实验室环境下,再现船舶在海上的摇摆和运动的实验设备,可以在实验室的条件下,研究船舶减摇控制算法的可行性。

它可以模拟船舶在水面上的横摇、纵摇及升沉三个自由度的运动,因此本课题的研究对于船舶减摇控制算法的研究具有重要的实用价值。

研究了三自由度伺服转台系统的设计和实现,主要完成了系统总体方案的设计、硬件设计、软件设计和控制算法的设计和仿真。

系统的总体方案设计:要实现高精度的转台控制系统,采用了当今比较流行的控制策略“PC+运动控制卡”的方法,实现了上位机、下位机分层的控制策略,充分利用了二者的优势——PC强大的逻辑判断能力、计算和信息处理能力:运动控制卡对电机的精确控制等,大大提高了系统的可靠性。

硬件设计包括运动控制卡的选择、伺服电机的选择、位置检测装置的选择;运动控制回路的设计;以及电机与驱动器的连接调试。

运动控制卡对转台实现位置的控制,将给定位置控制信号与转台的实际位置作差,根据算法将速度信号传递给电机驱动器,由它来控制电机的运行,最终实现了对转台位置的精确控制。

软件设计包括两个部分,一个部分是基于MATLAB的转台位置信号的算法设计及数字仿真;第二个部分则是基于LabVIEW的运动控制软件设计。

转台的位置信号
的设计是通过研究船舶海上运动姿态而确定的,包括了对船舶的六自由度进行分析,船舶运动建模,通过基于海浪谱加权平均的船舶运动方程,最终得到了转台的位置信息。

转台的运动控制部分的软件设计则是利用了LabVIEW软件实现的。

在LabVIEW中调用了MATAB引擎,得到了位置信号后,通过在LabVIEW中编写的核心程序实现了对转台的控制。

设计了智能PID和BP神经网络PID的控制算法,并给出了仿真结果,具有满意的控制精度,达到了三自由度转台系统控制精度的要求。

5.期刊论文赵郁峰.雷勇.王常虹.ZHAO Yu-feng.LEI Yong.WANG Chang-hong基于灰色理论PID控制的伺服转台研究-四川大学学报(自然科学版2005,42(4
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速度控制指标为1 d/r,因此该模拟速度环达到并且优于预定的指标.
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