CN112162509B - 一种基于fpga+cpu架构的主动控制旋翼实时控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于旋翼控制技术领域，公开了一种基于FPGA+CPU架构的主动控制旋翼实时控制系统，包括：控制主机、处理器板卡、带FPGA模块的I/O板卡和背板总线；控制主机与处理器板卡连接；控制主机用于监控控制系统与操纵控制系统；处理器板卡上设有外层控制模块和中间层控制模块外层控制模块用于任务控制；中间层控制模块用于各个旋翼桨叶驱动器的动态误差补偿的一致性控制；处理器板卡通过背板总线与带FPGA模块的I/O板卡连接；带FPGA模块的I/O板卡用于信号采集、时钟同步、硬件触发信号处理，带FPGA模块的I/O板卡上还设有内层控制模块；内层控制模块用于旋翼桨叶驱动器的稳态误差补偿控制。

Description

一种基于FPGA+CPU架构的主动控制旋翼实时控制系统
技术领域
本发明属于旋翼控制技术领域，尤其涉及一种基于FPGA+CPU架构的主动控制旋翼实时控制系统。
背景技术
在过去的三十年里，为了减小旋翼振动，涌现出了多种主动控制旋翼技术，其中主动控制后缘襟翼，actively controlled flap，ACF最为成熟。此外ACF旋翼还具有降噪、旋翼性能提升、旋翼锥体在线平衡等能力，被称为下一代旋翼。
ACF旋翼控制系统一般包含内层、中间层、外层3个层次，如图1所示，最内层是驱动器控制器，其作用为控制驱动器按给定指令运行，消除迟滞等误差。中间层控制器为桨叶间一致控制器，其作用为消除各片桨叶制造、驱动装置加工装配误差、驱动器性能差异等引起的各片桨叶间后缘襟翼偏转差异。最外层控制器为任务控制器，根据控制任务不同(减振、降噪、锥体在线平衡等)，其控制律相应更改，其作用是给出优化的后缘襟翼挥舞的期望信号。不同于常见的飞行控制系统(低频率定时控制),ACF旋翼控制系统与桨叶旋转的相位角紧密相关,控制信号常采用等相位输出而不是等时,触发信号为编码器硬件触发(如1024/rev)。此外，ACF旋翼控制系统的三层控制更新周期各不相同，如内层驱动器控制器更新为1024/rev，中间层幅相补偿控制器更新为1/rev，而外层任务控制器更新为1/3rev，且外层控制律计算复杂，对实时计算机能力要求高。因此，ACF旋翼控制系统的复杂外层控制律计算和不同更新周期的3层控制结构引起的通讯问题，使得ACF旋翼控制系统硬件环境设计和软件设计都很困难。
传统的ACF旋翼主动控制，大部分采用dSPACE系统或dSPACE模块作为实时计算机，运行外层任务控制器或外层任务控制器，中间层幅相补偿控制器和内存驱动器控制器常为驱动器制造商提供，为单独的一个控制器设备，两者之间还需专门设计通讯接口。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提出一种具备基于模型的控制器设计快速迭代能力的主动控制旋翼控制系统，3层控制器在一个设备内实现，满足主动控制旋翼系统的实时性、多控制器更新周期不同、控制信号与桨叶相位高度相关等需求。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种基于FPGA+CPU架构的主动控制旋翼实时控制系统，包括：控制主机、处理器板卡、带FPGA模块的I/O板卡和背板总线；
所述控制主机与处理器板卡连接；所述控制主机用于监控控制系统与操纵控制系统；所述处理器板卡上设有外层控制模块和中间层控制模块；
所述外层控制模块用于任务控制；
所述中间层控制模块用于各个旋翼桨叶驱动器的动态误差补偿的一致性控制；
所述处理器板卡通过背板总线与带FPGA模块的I/O板卡连接；所述带FPGA模块的I/O板卡用于信号采集、时钟同步、硬件触发信号处理，所述带FPGA模块的I/O板卡上还设有内层控制模块；
所述内层控制模块用于旋翼桨叶驱动器的稳态误差补偿控制。
进一步，所述控制系统包括多块带FPGA模块的I/O板卡；所述多块带FPGA模块的I/O板卡通过背板总线相互连接。
进一步，所述多块带FPGA模块的I/O板卡包括一块主I/O板卡和其它的从I/O板卡。
进一步，控制系统通过主I/O板卡上的FPGA时钟与处理器板卡和其它的从I/O板卡时钟同步。
进一步，所述主I/O板卡还与旋翼系统的编码器连接；所述主I/O板卡根据采集的编码器信号触发外层控制模块、中间层控制模块或内层控制模块工作。
进一步，所述中间层控制模块还可设于带FPGA模块的I/O板卡上。
进一步，内层控制模块优先级最高、中间层控制模块优先级次之，外层控制模块优先级最低。
进一步，内层控制模块的触发周期小于等于中间层控制模块的触发周期小于等于外层控制模块的触发周期。
本发明的有益效果：一种主动控制旋翼实时控制系统实现方法，将3层控制器在一个实时计算机中实现，减少了装备数量与接口，成本低，提升了智能旋翼控制系统的代码同一性，且迭代速度快。
附图说明
图1为ACF旋翼闭环控制系统结构示意图；
图2为ACF旋翼控制系统硬件示意图；
图3为ACF控制系统功能分配示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于FPGA+CPU架构的主动控制旋翼实时控制系统实现方法。
一种ACF旋翼主动控制实时系统实现方法，控制系统硬件配置包含：控制主机、处理器板卡、FPGA I/O板卡、背板总线，如图2所示，
控制系统功能分配方法为：控制主机运行控制系统监控与控制系统操纵任务，处理器板卡运行外层控制器和中间层控制器，FPGA I/O板卡运行内层控制器以及信号采集、时钟同步、硬件触发信号处理，如图3所示。
根据采集的信号数量可相应配置FPGA板卡数量，中间层控制器根据计算需求也可在FPGA板卡中。
通讯方面，如图2所示，控制主机与处理器之间通过千兆以太网通信，处理器板卡与FPGA I/O板卡以及FPGA I/O板卡之间通过高速背板总线通讯。
实时性控制方面，如图3所示，控制系统时钟采用FPGA时钟，并通过背板总线，与处理器板卡、其他FPGA I/O板卡之间进行时钟同步。
控制器更新方面，采用编码器硬件触发，不同控制器的触发根据采集的编码器触发信号进行触发，如根据旋翼额定转速6Hz和采样率5K Hz要求，内层触发可采用1024/rev，中间层控制器更新可采用1/rev，外层控制器更新可采用1/3rev。
根据外层控制律的计算复杂的特点，如需实现FFT、矩阵计算等高性能计算，将外层控制器置于擅长数值计算的处理器板卡中。采用外层控制律算例进行处理器板卡测试，如根据最小控制周期1/3rev圈的时长要求，确定处理器板卡的选型。当其不能更新时，可采用上一周期数值，尽管性能会有所下降，但不影响安全，其优先级最低。
根据控制输出信号对桨叶方位要求高，因此必须采用硬件触发。根据内层控制周期的要求，实时性要求最高，且其信号输出不能丢失，否则其会影响驱动器的操纵甚至导致驱动器损坏，进而影响旋翼特性，使得系统失效，反而增加振动载荷。优先级最高。因此选择了具有计算能力、存储能力、方位触发能力、信号采集能力的FPGA I/O卡，其数据采集与内能控制在一块板卡中，信号延迟最小，可以满足实时性要求。
中间层控制起各片桨叶之间的协调，控制周期为1/rev，如不能运行会导致旋翼的1阶振动增加，且控制律比较简单，其优先级次高，因此可放在FPGA板卡或处理器板卡中。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于FPGA+CPU架构的主动控制旋翼实时控制系统，其特征在于：所述系统包括：控制主机、处理器板卡、带FPGA模块的I/O板卡和背板总线；
所述控制主机与处理器板卡连接；所述控制主机用于监控控制系统与操纵控制系统；所述处理器板卡上设有外层控制模块和中间层控制模块；
所述外层控制模块用于任务控制；
所述中间层控制模块用于各个旋翼桨叶驱动器的动态误差补偿的一致性控制；
所述处理器板卡通过背板总线与带FPGA模块的I/O板卡连接；所述带FPGA模块的I/O板卡用于信号采集、时钟同步、硬件触发信号处理，所述带FPGA模块的I/O板卡上还设有内层控制模块；
所述内层控制模块用于旋翼桨叶驱动器的稳态误差补偿控制；
主I/O板卡还与旋翼系统的编码器连接；所述主I/O板卡根据采集的编码器信号触发外层控制模块、中间层控制模块或内层控制模块工作；
内层控制模块优先级最高、中间层控制模块优先级次之，外层控制模块优先级最低；内层控制模块的触发周期小于等于中间层控制模块的触发周期小于等于外层控制模块的触发周期。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA+CPU架构的主动控制旋翼实时控制系统，其特征在于：所述控制系统包括多块带FPGA模块的I/O板卡；所述多块带FPGA模块的I/O板卡通过背板总线相互连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA+CPU架构的主动控制旋翼实时控制系统，其特征在于：所述多块带FPGA模块的I/O板卡包括一块主I/O板卡和其它的从I/O板卡。
4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA+CPU架构的主动控制旋翼实时控制系统，其特征在于：控制系统通过主I/O板卡上的FPGA时钟与处理器板卡和其它的从I/O板卡时钟同步。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA+CPU架构的主动控制旋翼实时控制系统，其特征在于：所述中间层控制模块还可设于带FPGA模块的I/O板卡上。
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