摘 要：現代飛行控制系統研制過程中,飛行仿真試驗是必不可少的重要步驟。三軸仿真轉臺則是半實物飛行仿真試驗系統中最關鍵的設備,它用來真實復現飛行器在空中飛行時的角運動。目前，現有的三軸仿真轉臺不滿足新型無人機仿真的特殊要求。本文介紹了一種適用于無人機仿真實驗的三軸仿真轉臺控制系統的基本組成、總體設計及關鍵技術研究。 關鍵詞：ISA總線三軸轉臺 計算機控制 控制系統 1、引言 　　在現代飛機的飛行控制系統研制和使用過程中,飛行仿真試驗是必不可少的重要步驟。姿態仿真轉臺則是半實物飛行仿真試驗系統中最關鍵的設備,它用來真實復現飛行器在空中飛行時的角運動。由于無人機發展的速度很快，現有的各種三軸仿真轉臺不能完全滿足新型無人機的姿態仿真的需要。為了能夠滿足實際的需要，我們設計出了一套新型無人機姿態仿真轉臺，基于該平臺，可實現純數學仿真和半實物飛行仿真，達到了較高的水平。 2、系統總體設計 　　該三軸仿真轉臺是一臺電動機械軸承全方位回轉的轉臺。要求能夠完全滿足××型無人機在實驗室內進行空中姿態的模擬仿真，并且能夠檢測出該型號無人機飛行控制計算機的性能指標。 　　2.1系統的總體要求 　　（1） 快速性 為實時姿態模擬，必須在單位時間里將系統的全部狀態變量都計算一遍，為此，必須合理優化系統模型，在仿真算法上尋求解決辦法。 　　（2） 實時性 為了了解無人機的性能，必須在采用實時算法，在小于采樣時間里解算出無人機的狀態方程。 　　（3） 同步性 為了使三軸仿真轉臺達到快速性和實時性，必須滿足整個系統的各個模塊之間的數據傳輸保持同步性或者微小的延遲，延遲時間必須遠小于系統的采樣時間和解算狀態方程的單位時間。 　　（4） 抗干擾性 為了使系統在各種情況下都能正常的工作，必須使系統具有良好的抗干擾性。 　　（5） 交互性 為了使系統能更好的工作，在設計整個系統時要保證系統具有良好的交互界面，滿足使用者的要求。 　　2.2系統的總體結構 　　整個三軸仿真轉臺系統從總體上可分為兩大部分：轉臺臺體和控制系統。其中轉臺臺體部分根據具體無人機的特殊要求設計不同的結構。 　　轉臺臺體分為俯仰環（外環）、方位環（中環）和滾轉環（內環）三部分構成，通過精密加工和裝配保證了轉臺機械框架和軸系精度、垂直度和相交度。三軸皆通過步進電機進行驅動，來控制轉臺的位置、速度及加速度。同時，在設計轉臺臺體時，要通過合理的結構設計使整個轉臺具有很好的靈活性和可解耦性，本文不作具體介紹。 　　控制系統是整個系統的核心部分。根據各部分功能特點又可以分為：測角分系統、伺服分系統、速率分系統和控制計算機。其中控制計算機又是控制系統的核心。具體的系統結構圖如下： [align=center] 圖1 系統組成方框圖（以單自由度為例）[/align] 　　由于實際的需要和具體的要求，我們在設計中采用了工業控制計算機，各個分系統之間的通信采用ISA總線，增加了整個控制系統設計的靈活性;同時，在選擇控制方法時，可以驗證一些比較新的、復合的控制方法以及一些智能控制方法。通過試驗這些控制算法，提高了整個系統的響應速度、改善系統的動態性能以及系統的精度，同時還拓寬系統的頻帶。 3、系統硬件設計 　　由于此三軸仿真轉臺系統是用來在實驗室內精確復現飛行器在空中自由運動,所以控制系統性能的優劣將直接影響仿真的精度和仿真結果的可信度。 　　為了達到性能指標，在分系統的設計上要符合整個系統的精度要求。由于此轉臺系統主要是用于實驗室內對于無人機的姿態模擬，而且由于無人機自身的功能要求和性能特點，本系統對測角系統的精度沒有太高的要求，而對于轉臺的轉動自由度及靈活性有較高的要求。基于此，本系統的主要硬件部分設計采用以下的功能器件： 　　3.1 步進電機 　　本系統的伺服機構采用MSMA042A1G型步進電機，通過向步進發送脈沖方波來控制步進電機的轉動角度，通過所發脈沖的頻率來控制步進電機的速度，具有使用簡單，控制精度高等特點。 　　3.2步進電機控制器及控制電路 　　步進電機的控制卡采用8254定時/計數器產生步進電機運轉的脈沖方波，并對輸出脈沖進行計數。將8254的計數器0設定在方波發生器工作方式，計數器2設定在計數器方式通過控制計數器0來控制脈沖輸出，計數器2對輸出脈沖進行計。計數器2中設定的脈沖數量來控制步進電機的轉角;通過控制計數器0來控制步進電機的轉動速度。 　　3.3測角元件 　　測角元件采用垂直陀螺和磁航向儀。垂直陀螺儀和磁航向儀通過感受三軸轉臺的三個方位角，反饋回相應電壓，通過控制計算機進行計算，使得三軸轉臺轉動到所要求的位置。 　　基于以上功能器件所設計的三軸仿真轉臺控制系統能夠很好地滿足整個系統的性能指標，而且通過在軟件部分加入其他方法，可以大大提高系統地精度和響應速度。 4、系統軟件設計 　　整個控制系統的控制方法和策略主要體現在系統的軟件部分。控制系統的軟件部分又可以分為：交互界面和控制方法兩大部分。 　　對于交互界面主要是滿足使用者的需求，方便于使用和維護。 　　4.1控制方法 　　控制方法是控制系統中的核心部分，主要包括： 　　（1） 系統數學模型。系統模型是控制系統的基礎和對象，根據實際被仿真的對象所建立的數學模型，是實際系統的一個近似。好的數學模型是在滿足實際對象特征和性能要求的基礎上，所建立的盡可能簡單的模型。本系統所建立的數學模型是在××型無人機的基礎上建立的，能夠滿足該型號無人機的基本特征和控制系統的性能要求。 　　（2） 控制率和控制算法。控制率和控制算法是在所建立的數學模型的基礎上，根據所要實現的功能而采取的控制策略和控制方法。常用的控制率和控制方法主要有古典控制方法和現代控制方法。本系統采用的控制率主要是根據該型號無人機而定的，采用古典和現代控制方法相結合的控制策略。 　　4.2軟件流程 　　軟件流程根據實際的需要進行編寫。由于本系統主要是用于實驗室內仿真使用，具體的流程圖如下： [align=center] 圖2 系統軟件流程圖[/align] 5、關鍵問題及解決方案 　　對于大型的仿真設備都會由于機械設計及加工等方面的影響，會受到機械諧振的不利影響，這使得系統的性能受到很大的影響，為了解決這一問題，我們在控制方法的選擇上采用了最優控制以及利用數模混合方式設置了帶阻濾波器，很好的解決這一問題。 　　由于摩擦力矩的存在，轉臺在低速運行的時候，很容易低速爬行以及速率波動等現象。為達到期望的靜態和低速指標，必須對系統的摩擦力矩進行補償，在控制上采用增大比例增益和提高積分作用來改善系統的低速性能。 　　由于低速性能要求增加積分作用和比例增益以及動態性能受到機械諧振的影響，單一的控制方法不能滿足要求。為此，采用了一些復合控制方法，使系統在不同的狀態和指標要求下都具有不同的適應性。 6、小結 　　通過以上所采取的系統總體設計、硬件部分設計和軟件部分設計，該轉臺系統可以很有效地滿足××型無人機在實驗室內進行姿態模擬仿真的要求了;同時，在設計系統軟件部分時，通過更改系統模型參數，可以同時滿足其他多種無人機實驗室仿真的需要，檢驗無人機的各項硬件參數、軟件的性能及工作的可靠性。 　　另外，該型號的仿真轉臺也可以滿足一些低精度的陀螺儀和慣性組合的測試。 參考文獻： 　　[1] 余德義等.NH-96無人駕駛飛機飛行仿真系統. 南京航空航天大學學報，1998，30：1 　　[2] 仿真轉臺克服低速滯滑的判據研究.系統工程與電子技術，2002，22：7 　　[3] 文傳源.現代飛行控制系統.北京航空航天大學出版社.1992