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针对导航、制导与控制实验与科研的需要,本方案设计构建了飞行器控制系统设计与仿真实验平台,该平台综合了多学科知识和多种先进技术手段,可以用于飞行器的组合导航与精确制导系统以及飞行器姿态控制系统的设计与仿真,具有综合多样的实验功能。
1 综 述
飞行器控制系统作为飞行器的神经中枢,其可靠性、稳定性及精确度是飞行器安全飞行和执行任务成功与否的重要保障。为保证飞行器的飞行航迹及打击目标的准确性,对其在飞行过程中数据实时处理的要求越来越高,算法也越来越复杂。建立飞行器控制系统设计与仿真实验平台可以为飞行器的数字化设计及设计过程中的数字仿真与半实物仿真实验提供条件。
本方案仿真平台的主要目的是为导航、制导与控制专业及相关专业用于先进的导航、制导与控制理论和技术的科研工作提供实验条件。
2 设计思想
首先,飞行器控制系统设计与仿真实验平台要综合考虑导航、制导与控制仿真的主要特征,能够用于组合导航、精确制导、飞行器控制系统原理和飞行器设计等实验演示。其次,该实验平台还要充分体现飞行器控制系统的特点,满足飞行器控制系统设计与仿真要求。能够用于飞行器控制系统及其各分系统的设计,并且能够为飞行器控制系统中的算法设计乃至系统集成设计提供数字仿真和半实物仿真条件。此外,该实验平台的建设还要具有独立的专业特色。该仿真平台的构建是基于教学和科研的目的,其主要落脚点还在于培养航空航天领域的高素质专业人才。
3 实验平台设计
3. 1 总体设计
飞行器控制系统通常包含制导系统和姿态控制系统以及执行机构几个部分组成。飞行器在飞行过程中,制导系统给出当前飞行轨迹与目标或理论轨迹的偏差,控制器根据此偏差计算出整个飞行器应有的飞行姿态,产生飞行控制指令,执行机构产生舵面转动或偏航推力,在保证飞行器姿态稳定的前提下,通过改变飞行器的飞行姿态以修正飞行器的飞行轨迹。
制导系统负责当前轨迹与目标或理论轨迹的偏差计算。制导方式有多种,包括最基本的惯性制导以及GPS制导、红外制导、激光制导、毫米波制导等,为提高制导精度,通常采用两种或两种以上的制导方式来组成复合制导系统。因此制导系统一般是对应以上工作原理的各种传感器组件。
控制系统负责处理制导系统的反馈信息并解算飞行控制参数。目前这一部分多采用基于MCU,DSP和FPGA构成的嵌入式数字控制装置。
飞行器的执行机构接受来自控制器产生的控制指令,产生电动舵机或燃气舵机等执行机构的作动,从而产生俯仰/偏航力或力矩,改变弹体的飞行姿态,最终改变飞行轨迹。
根据上述飞行器控制系统的工作原理,本实验平台的设计主要包括组合导航与精确制导仿真实验平台和飞行器姿态控制系统设计与仿真平台两大部分,统一构建成用于飞行器控制系统设计与仿真的半实物仿真实验平台。
3. 2 飞行器控制系统半实物仿真实验平台设计原理
半实物仿真是利用数学模型替代部分真实的物理部件进行系统性能研究的方法。半实物仿真一般使用专门设计的计算机作为数学模型平台运行的平台,上面运行着那些不易或是不便采用真实设备部分的数字动态仿真模型。这个仿真计算机平台同时还具有将数字计算量转化为真实电信号或是将外界的电气信号转变为计算数字量的I/O接口设备,以实现数学模型与仿真平台以外真实物理系统之间的相互作用。
本飞行器控制系统半实物仿真实验平台以MATLAB为软件平台进行设计。当采用MATLAB 进行控制系统设计时,系统中所有的环节都通过Simulink动态模型仿真进行检验。各个子系统利用MATLAB 的各种专业工具箱独立分析和设计。设计过程中各分系统随时可以将各自的Simulink模型部分集成起来运行,根据时域计算结果评价分系统的设计并协调改动。
由于使用Simulink仿真模型作为设计信息载体,无需依赖真实的产品设备就可以测试分系统,或是各系统集成测试。
在本仿真实验平台中,数学仿真模型代码通常在更底层的实时操作系统(RTOS)控制下运行并通过硬件I/O接口与外界进行数据交流。实时操作系统保证了数学模型的动态特性与所模拟的实物系统具有相同的时域特性。
3. 3 组合导航与精确制导仿真实验平台
在飞行器导航制导系统中,为了实现更为精确的控制目的,常常采用多种模式的导航制导系统构成组合导航或复合制导系统,这在很大程度上增加了导航制导系统的复杂性。系统复杂度的增加相应地对飞行器飞行过程中数据的实时处理提出了越来越高的要求,而算法也会变得越来越复杂。因此只有实现了数据处理的实时性并解决了算法的复杂性才能够有效保证飞行器飞行航迹以及打击目标的准确性。
对于组合导航与精确制导仿真实验平台的构建,采用了如图2简单框图中所示的几种制导和导航设备。图2中所示的惯导系统、GPS、电视导引头、红外导引头也是飞行器多模组合导航或复合制导系统中的常用设备。
该平台以惯性导航系统为主,它由加速度计和陀螺仪组成。如果在惯性导航系统基础上辅以GPS导航设备即构成目前最为基本也最为简单的一种组合导航系统。利用数据融合算法将惯导系统与GPS系统获取的导航参数进行处理,最后可得到导航参数的最优估计值。以该平台设备为基础,还可以研究多惯性组合组成的冗余式导航与制导系统,也可以研究惯导/GPS与红外、毫米波、微波、电视、激光、地形匹配等其它导航/制导方式组成的组合导航或复合制导系统。
此外,在该平台基础上,还可以进行多源数据融合技术、复杂导航及制导算法等的研究。
3. 4 飞行器姿态控制系统设计与仿真平台
飞行器姿态控制系统设计与仿真平台的构成
RTSim的高性能的实时仿真软硬件平台,该实时仿真系统与MATLAB, Simulink无缝集成,可直接将使用MATLAB, Simulink搭建的各分系统数学模型下载到其硬件平台上实时运行,可以实时地反映各分系统在不同条件下的行为特性。同时, RTSim系统具有丰富的真实物理接口,可将各种特性通过不同类型的信号对外输出,因而可进行真实设备的物理连接协同仿真,即可完成半物理仿真的功能。RTSim实时系统具有实时性强,可靠性高,扩充性好等优点。系统采用高速处理器,计算能力强且支持并行运算,可构成并行处理机制来对大型计算实施分布式计算,达到并行计算的功能。系统配备了丰富的I/O支持,可以根据需要进行组合;软件环境的功能强大且使用方便,包括实现代码自动生成、下载和试验、调试的整套工具。
控制系统Simulink模型可以自动生成代码,运行在平台上。通过RTSim硬件平台上的物理接口(A/D, D/A, DIO,Mil1553 等) ,模型所生成的代码就处理真实的物理设备的信号,实现与最终产品同等的功能。实验过程中,通过RTSim的监控软件界面可以在线观察系统中所有工作环节的数据。经过验证所确认的设计,用于产品开发时可能出现的问题就会大大减少,可以加快研发进程并确保设计质量。
平台中的飞行动力学仿真主要用于转台控制。由于没有实际飞行过程,需要利用数学模型计算飞行器实际使用时的飞行轨迹,并解算出飞行器在实际飞行中的姿态。外接多轴转台通过RTSim运行平台的硬件接口接受这些信息,并产生相应的转动,体现出飞行器的飞行姿态。这时,与多轴转台固定连接的惯导系统就可以测量得到飞行器的姿态,处理后反馈给控制系统部分。因为使用了转台模拟,惯导系统的工作状态可以做到与实际使用条件基本一致。
在利用该平台进行设计和仿真的过程中,使用模型仿真的方法模拟产生GPS信号,供姿态控制系统参考使用。另外,对于执行机构等不便于在实验室进行试验的系统,也可以用模型仿真的形式来处理。
4 结 语
飞行器控制系统设计与仿真实验平台仿真是导航、制导与控制学科及相关学科的重要内容,它不仅能够满足飞行器控制系统设计与仿真的要求,在航空航天领域的科研中发挥重要作用,还有利于培养工程师分析问题和解决问题的能力,有助于造就一批具有“自我意识”、“竞争意识”、“创新意识”的“开拓型”、“综合型”、“创造型”的航空航天领域的高素质人才。
