CN101126918A - 一种用于飞行仿真伺服系统的频率鉴别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于飞行仿真伺服系统的频率鉴别方法。飞行仿真伺服系统主要由仿真机、控制机、光电轴角编码器、控制器、功放器及驱动仿真对象的伺服马达等模块组成，首先对8259A中断控制器初始化，向其写入若干命令字，使其处于准备就绪状态。中断控制器采用全嵌套工作模式，中断优先权是固定的。设角速度为零的点为状态标志点，记录两个相邻标志点之间经由光电轴角编码器反馈的飞行仿真伺服系统运动角位置点数目，就可以得到标准信号的半个周期时间。由此可鉴别出飞行仿真伺服系统运行时的响应频率。该方法优点是频率鉴别准确，实时性高，可靠性强，实现方便，能够满足飞行仿真伺服系统的稳、准、快要求。

Description

一种用于飞行仿真伺服系统的频率鉴别方法

(一)技术领域

本发明涉及一种用于飞行仿真伺服系统的频率鉴别(FrequencyDiscrimination)方法，属于信息处理技术领域。

(二)背景技术

飞行仿真伺服系统是进行半实物地面仿真和测试实验的一种关键设备，可用来控制仿真对象的某种状态，使其能自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律。  它能模拟飞行器在空中的各种运动和姿态，其性能优劣直接关系到仿真和测试试验的置信度和可靠性。

为了满足飞行仿真伺服系统稳、准、快的要求，必须对飞行仿真伺服系统的响应频率进行鉴别，以便对飞行仿真伺服系统进行实时控制，所以频率鉴别技术是对飞行仿真伺服系统进行精确数字控制的关键。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种新的飞行仿真伺服系统数字鉴频技术，它采用软件算法对光电轴角编码器反馈信号进行编程实现。采用了该鉴频技术的飞行仿真伺服系统具有控制精度高、可靠性高、实现方便等优点，能够满足飞行仿真伺服系统的稳定性、快速性和准确性要求。该方法还可应用于机器人、模拟器等控制领域。

本发明一种用于飞行仿真伺服系统的频率鉴别方法，其方法的技术方案如下：

(1)飞行仿真伺服系统体系结构：

飞行仿真伺服系统主要由仿真机、控制机、反馈传感器、控制器、功放器及驱动仿真对象的伺服马达等模块组成，其总体设计结构如图1。

反馈传感器包括光电轴角编码器(Photoelectric Rotary Encoder)和电位计，其中光电轴角编码器是构成该飞行仿真伺服系统数字闭环的核心元件，其测角原理是：假设光电轴角编码器上的圆周等分条纹数为N，则被测对象旋转一周(即360°)，光电轴角编码器的A、B两相分别发出N个脉冲。那么，A、B两相的脉冲当量为：

式中，P表示脉冲当量。通过时钟脉冲触发计数器记下脉冲当量的数量，假定脉冲当量P的数量为n，则被测对象旋转的角度可写为：

＝P·n    (2)

式中，表示被测对象旋转的角度(单位：°)。

再假设在一段时间间隔内脉冲当量的增量为Δn，则被测对象旋转的角速度可以写为：

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\Δn}\·P}{\mathrm{\Δt}}---\left(3\right)$

式中，ω表示被测对象旋转的角速度(单位：o/s)，Δt表示时间间隔(单位：s)。

由此可知，光电轴角编码器不仅可直接用于测量角位移，还可用来测量角速度。

由光电轴角编码器反馈的脉冲信号经过调理后送入控制机，控制机对其进行鉴频、数字解算、自适应比例-微分-积分补偿；电位计反馈可以使飞行仿真伺服系统在上电后启动前处于模拟零位。控制机是该系统总体结构的核心处理模块，也是飞行仿真伺服系统的直接控制级，构成飞行仿真伺服系统独立的数字控制回路，它除了实现软件鉴频外，还负责飞行仿真伺服系统控制系统的数据采集与处理、控制律解算，并实现与仿真机通讯。仿真机主要负责该飞行仿真伺服系统性能参数的状态监控、数据处理、系统分析和系统综合，并能给出频率、幅值可调的标准函数(正弦波、三角波或方波)信号和动态仿真特性信号。控制器主要实现反馈信号的倍频、模拟信号的闭环、模拟参数的整定等。功放器有线性放大与脉宽调制放大两种，线性放大器具有干扰小的优点，但其体积大、效率低；而脉宽调制放大器是通过脉冲宽度调制方式控制大功率管开关时间，达到调节伺服马达电枢两端平均电压，实现控制伺服马达电流的目的，从而使伺服马达按指令进行驱动。飞行仿真伺服系统设计多采用脉宽调制功放器方案，它具有损耗小、调速范围宽、快速性好、体积小、工作可靠等优点。伺服马达是驱动元件，可使飞行仿真伺服系统上的仿真对象按照给定的控制律运动。

这样的系统总体设计结构构成了一个数字/模拟混合控制系统，可以有效地提高飞行仿真伺服系统的控制精度，增强了飞行仿真伺服系统的鲁棒性和可靠性。

(2)具体频率鉴别实现：

飞行仿真伺服系统的频率鉴别采用了软件鉴频技术，软件设计采用了内部定时中断，首先对8259A中断控制器(Interrupt Controller)初始化，向其写入若干命令字，使其处于准备就绪状态。中断控制器采用全嵌套工作模式。在这种模式下，中断优先权是固定的，当中央处理器CPU响应中断时，申请中断的优先权最高的中断源在中断服务寄存器ISR(InterruptService Register)中的响应位置位，而且把它的中断向量号送到数据总线。在此中断源的中断服务程序完成之前，与它同级或优先权更低的中断源的申请就被屏蔽，只有优先权比它高的中断源的申请才是允许的。

鉴频子程序流程如图2所示。图2中，N_C为中断计数变量，其初始值为0；K为状态标志，其初始值亦为0，K++表示进入峰值点(即鉴频开始)后每遇到一个新的峰值点(即状态标志)都会递增一个数量级。设角速度为零的点为状态标志点，记录两个相邻标志点之间经由光电轴角编码器反馈的飞行仿真伺服系统运动角位置点数目，就可以得到标准信号的半个周期时间：

T_H＝N_C·Δt_I    (4)

式中，T_H表示半个周期时间(单位：s)，N_C表示两个相邻标志点之间的角位置点数目，Δt_I表示中断采样间隔(单位：s)。

由此，我们可以根据公式(5)鉴别出飞行仿真伺服系统运行时的响应频率f(单位：Hz)：

$f=\frac{1}{{2T}_H}=\frac{1}{{2N}_C\·\mathrm{\Δ}{t}_I}---\left(5\right)$

本发明一种新的飞行仿真伺服系统数字鉴频技术，其优点及所达成的功效是：频率鉴别准确，实时性高，可靠性强，实现方便。目前，本发明设计的软件鉴频技术方案已经在多种型号飞行仿真伺服系统上获得了成功应用，能够满足飞行仿真伺服系统的稳定性、快速性和准确性要求。该方法还可应用于机器人、模拟器等控制领域。该发明可用作无人机的地面仿真试验平台，也可用作导弹、鱼雷、火箭等运动体的地面姿态模拟。

(四)附图说明

图1飞行仿真伺服系统体系结构

图2鉴频子程序流程图

图3某型飞行仿真伺服系统运动部件照片

图4某型飞行仿真伺服系统实时控制器

图50.8Hz、5°的标准正弦波给定鉴频仿真曲线

图65.0Hz、1°的标准正弦波给定鉴频仿真曲线

图中标号及符号说明如下：

ω-被测对象旋转的角速度

K-状态标志

N_c-两个相邻标志点之间的角位置点数目

(五)具体实施方式

本发明一种用于飞行仿真伺服系统的频率鉴别方法，其技术方案如下：将本发明所设计的软件鉴频方案应用于某型飞行仿真伺服系统(如图3、图4所示)。

首先对8259A中断控制器(Interrupt Controller)初始化，向其写入若干命令字，使其处于准备就绪状态。中断控制器采用全嵌套工作模式。在这种模式下，中断优先权是固定的，当中央处理器CPU响应中断时，申请中断的优先权最高的中断源在中断服务寄存器ISR(Interrupt ServiceRegister)中的响应位置位，而且把它的中断向量号送到数据总线。在此中断源的中断服务程序完成之前，与它同级或优先权更低的中断源的申请就被屏蔽，只有优先权比它高的中断源的申请才是允许的。

鉴频子程序流程如图2所示。图2中，N_C为中断计数变量，其初始值为0；K为状态标志，其初始值亦为0，K++表示进入峰值点(即鉴频开始)后每遇到一个新的峰值点(即状态标志)都会递增一个数量级。设角速度为零的点为状态标志点，记录两个相邻标志点之间经由光电轴角编码器反馈的飞行仿真伺服系统运动角位置点数目，就可以得到标准信号的半个周期时间。该飞行仿真伺服系统的最大设计频响是5Hz。例如，设置中断采样间隔Δt_I＝0.0008s，N_c＝1000，则半个周期时间(单位：s)：

T_H＝N_C·At_I＝1000×0.0008＝0.8

由此，我们可以根据公式(5)鉴别出飞行仿真伺服系统运行时的响应频率f(单位：Hz)：

$f=\frac{1}{{2T}_H}=\frac{1}{{2N}_C\·{\mathrm{\Δt}}_I}=\frac{1}{2\×0.8}=0.625$

仿真实验时，由仿真机远程发出的给定指令信号为0.8Hz、5°和5.0Hz、1°的标准正弦波，控制机对由光电轴角编码器反馈的脉冲信号鉴频后进行自适应PID补偿，得到的实时鉴频仿真曲线分别如图5、图6所示。图5中飞行仿真伺服系统响应信号与给定信号的幅值比为0.97％，相位差比为-0.5 1％；图6中飞行仿真伺服系统响应信号与给定信号的幅值比为-3.98％，相位差比为-2.49％。由实验结果可见，采用该鉴频方案补偿后的飞行仿真伺服系统系统跟踪精度满足“双五”指标(即幅值比和相位差比均不超过5％)要求，具有很高的控制品质。

Claims (1)

1.一种用于飞行仿真伺服系统的频率鉴别方法，其飞行仿真伺服系统主要由仿真机、控制机、反馈传感器、控制器、功放器及驱动仿真对象的伺服马达等模块组成，其中，反馈传感器包括光电轴角编码器和电位计，该光电轴角编码器是构成该飞行仿真伺服系统数字闭环的核心元件，其特征在于：该方法步骤如下：

飞行仿真伺服系统的频率鉴别采用了软件鉴频技术，软件设计采用了内部定时中断，首先对8259A中断控制器初始化，向其写入若干命令字，使其处于准备就绪状态；中断控制器采用全嵌套工作模式，在这种模式下，中断优先权是固定的，当中央处理器CPU响应中断时，申请中断的优先权最高的中断源在中断服务寄存器ISR中的响应位置位，而且把它的中断向量号送到数据总线；在此中断源的中断服务程序完成之前，与它同级或优先权更低的中断源的申请就被屏蔽，只有优先权比它高的中断源的申请才是允许的；

在鉴频子程序流程中，以N_C为中断计数变量，其初始值为0；K为状态标志，其初始值亦为0，K++表示进入峰值点，即鉴频开始，后每遇到一个新的峰值点，即状态标志，都会递增一个数量级；设角速度为零的点为状态标志点，记录两个相邻标志点之间经由光电轴角编码器反馈的飞行仿真伺服系统运动角位置点数目，就可以下列公式(4)得到标准信号的半个周期时间：

T_H＝N_C·Δt_I    (4)

式中，T_H表示半个周期时间，N_C表示两个相邻标志点之间的角位置点数目，Δt_I表示中断采样间隔；

由此，我们可以根据下列公式(5)鉴别出飞行仿真伺服系统运行时的响应频率f：

$f=\frac{1}{2T_H}=\frac{1}{2N_C\·\mathrm{\Δ}{t}_I}---\left(5\right).$

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