第27卷第3期 2008年3月实验室研究与探索RESEARCHANDEXPLORATIONINLABORATORYVo.l27No.3 Mar.2008

#仪器设备研制与开发#

飞行器控制系统设计与仿真实验平台的构建

刘根旺

(电子科技大学空天科学技术研究院,四川成都610054)

摘 要:针对导航、制导与控制专业研究生的教学实验与科研的需要,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。

关键词:飞行器;控制系统;仿真;实验平台中图分类号:V249 文献标识码:A 文章编号:1006-7167(2008)03-0026-03

BuildingofExpermientalPlatformforAircraftControl

SystemDesignandSmiulation

LIUGen-wang(InstituteofAstronautics&Aeronautics,UniversityofElectronic

Science&TechnologyofChina,Chengdu610054,China)

Abstract:Consideringteachingandexperimentandresearchforpostgraduatesmajoringinnavigation,guidanceand

contro,lanexperimentalplatformforaircraftcontrolsystemdesignandsimulationwasdeveloped.Thebuildingofthis

platformsynthesizesknowledgeofseveralsubjectsandalotofadvancedtechniques.Itcanbeusedforthedesignand

simulationofaircraftintegratednavigationandprecisionguidancesystemandattitudecontrolsystem.Ithasmultiplefunctionsinteaching,experimentandresearch.

Keywords:aircraf;tcontrolsystem;simulation;experimentalplatform

CLCnumber:V249 Documentcode:A ArticleID:1006-7167(2008)03-0026-03

收稿日期:2007-05-11作者简介:刘根旺(1974-),男,河北人,讲师,博士,研究方向为导航、制导与控制。Te:l13550106690;E-mai:labbaabba@126.com1 引 言

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。

本实验平台的构建以电子科技大学空天科学技术研究院的建立为背景,主要目的是为导航、制导与控制

专业及相关专业研究生的培养和用于先进的导航、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、制导与控制专业的主要课程设置,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

设计等课程的教学和实验演示。

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,并且服务于学校重点实验室建设,进而成为学校学

科建设和发展的重要支撑。

该实验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。主要面向研究生培养,通过该平台既能够使学生在学习理论之前先对飞行器控制系统有一个完整的感

性认识,帮助学生熟悉和掌握飞行器控制系统的组成、

各部分的特点,使其了解飞行器在飞行过程中控制系

统的作用与工作方式,又能够激发学生学习专业知识的兴趣,培养其创新性思维和探索精神。在研究生的

课题研究过程中,该平台有助于提高其工程实践能力,

培养其综合能力以及工程设计能力,为其以后从事科

研工作打下坚实的基础。

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。见图1。

图1 半实物仿真实验平台设计原理

本飞行器控制系统半实物仿真实验平台以MAT-

LAB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,

考虑了学校现有的教学和科研基础,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27 第3期刘根旺:飞行器控制系统设计与仿真实验平台的构建

图2 组合导航与精确制导仿真实验平台

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如图3所示。

图3 飞行器姿态控制系统设计与仿真平台

图中dSPACE是dSPACE公司开发的高性能的实

时仿真软硬件平台,该实时仿真系统与MATLAB/Sim-

ulink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,dSPACE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。dSPACE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dSPACE平台上。通过dSPACE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dSPACE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dSPACE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构建是导航、制导与控制学科及相关学科建设的重要内容,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,还丰富了研究生培养中教学实验的内容、方法与手段,有利于培养研究

生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0、/竞争意识0、/创新意识0的/开拓型0、

/综合型0、/创造型0的航空航天领域的高素质人才。

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