关键词：ISA总线三轴转台 计算机控制 控制系统
1、引言
在现代飞机的飞行控制系统研制和使用过程中,飞行仿真试验是必不可少的重要步骤。姿态仿真转台则是半实物飞行仿真试验系统中最关键的设备,它用来真实复现飞行器在空中飞行时的角运动。由于无人机发展的速度很快，现有的各种三轴仿真转台不能完全满足新型无人机的姿态仿真的需要。为了能够满足实际的需要，我们设计出了一套新型无人机姿态仿真转台，基于该平台，可实现纯数学仿真和半实物飞行仿真，达到了较高的水平。
2、系统总体设计
该三轴仿真转台是一台电动机械轴承全方位回转的转台。要求能够完全满足××型无人机在实验室内进行空中姿态的模拟仿真，并且能够检测出该型号无人机飞行控制计算机的性能指标。
2.1系统的总体要求
（1） 快速性 为实时姿态模拟，必须在单位时间里将系统的全部状态变量都计算一遍，为此，必须合理优化系统模型，在仿真算法上寻求解决办法。
（2） 实时性 为了了解无人机的性能，必须在采用实时算法，在小于采样时间里解算出无人机的状态方程。
（3） 同步性 为了使三轴仿真转台达到快速性和实时性，必须满足整个系统的各个模块之间的数据传输保持同步性或者微小的延迟，延迟时间必须远小于系统的采样时间和解算状态方程的单位时间。
（4） 抗干扰性 为了使系统在各种情况下都能正常的工作，必须使系统具有良好的抗干扰性。
（5） 交互性 为了使系统能更好的工作，在设计整个系统时要保证系统具有良好的交互界面，满足使用者的要求。
2.2系统的总体结构
整个三轴仿真转台系统从总体上可分为两大部分：转台台体和控制系统。其中转台台体部分根据具体无人机的特殊要求设计不同的结构。
转台台体分为俯仰环（外环）、方位环（中环）和滚转环（内环）三部分构成，通过精密加工和装配保证了转台机械框架和轴系精度、垂直度和相交度。三轴皆通过步进电机进行驱动，来控制转台的位置、速度及加速度。同时，在设计转台台体时，要通过合理的结构设计使整个转台具有很好的灵活性和可解耦性，本文不作具体介绍。
控制系统是整个系统的核心部分。根据各部分功能特点又可以分为：测角分系统、伺服分系统、速率分系统和控制计算机。其中控制计算机又是控制系统的核心。具体的系统结构图如下：
图1 系统组成方框图（以单自由度为例）
由于实际的需要和具体的要求，我们在设计中采用了工业控制计算机，各个分系统之间的通信采用ISA总线，增加了整个控制系统设计的灵活性;同时，在选择控制方法时，可以验证一些比较新的、复合的控制方法以及一些智能控制方法。通过试验这些控制算法，提高了整个系统的响应速度、改善系统的动态性能以及系统的精度，同时还拓宽系统的频带。
3、系统硬件设计
由于此三轴仿真转台系统是用来在实验室内精确复现飞行器在空中自由运动,所以控制系统性能的优劣将直接影响仿真的精度和仿真结果的可信度。
为了达到性能指标，在分系统的设计上要符合整个系统的精度要求。由于此转台系统主要是用于实验室内对于无人机的姿态模拟，而且由于无人机自身的功能要求和性能特点，本系统对测角系统的精度没有太高的要求，而对于转台的转动自由度及灵活性有较高的要求。基于此，本系统的主要硬件部分设计采用以下的功能器件：
3.1 步进电机
本系统的伺服机构采用MSMA042A1G型步进电机，通过向步进发送脉冲方波来控制步进电机的转动角度，通过所发脉冲的频率来控制步进电机的速度，具有使用简单，控制精度高等特点。
3.2步进电机控制器及控制电路
步进电机的控制卡采用8254定时/计数器产生步进电机运转的脉冲方波，并对输出脉冲进行计数。将8254的计数器0设定在方波发生器工作方式，计数器2设定在计数器方式通过控制计数器0来控制脉冲输出，计数器2对输出脉冲进行计。计数器2中设定的脉冲数量来控制步进电机的转角;通过控制计数器0来控制步进电机的转动速度。
3.3测角元件
测角元件采用垂直陀螺和磁航向仪。垂直陀螺仪和磁航向仪通过感受三轴转台的三个方位角，反馈回相应电压，通过控制计算机进行计算，使得三轴转台转动到所要求的位置。
基于以上功能器件所设计的三轴仿真转台控制系统能够很好地满足整个系统的性能指标，而且通过在软件部分加入其他方法，可以大大提高系统地精度和响应速度。
4、系统软件设计
整个控制系统的控制方法和策略主要体现在系统的软件部分。控制系统的软件部分又可以分为：交互界面和控制方法两大部分。
对于交互界面主要是满足使用者的需求，方便于使用和维护。
4.1控制方法
控制方法是控制系统中的核心部分，主要包括：
（1） 系统数学模型。系统模型是控制系统的基础和对象，根据实际被仿真的对象所建立的数学模型，是实际系统的一个近似。好的数学模型是在满足实际对象特征和性能要求的基础上，所建立的尽可能简单的模型。本系统所建立的数学模型是在××型无人机的基础上建立的，能够满足该型号无人机的基本特征和控制系统的性能要求。
（2） 控制率和控制算法。控制率和控制算法是在所建立的数学模型的基础上，根据所要实现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现代控制方法。本系统采用的控制率主要是根据该型号无人机而定的，采用古典和现代控制方法相结合的控制策略。
4.2软件流程
软件流程根据实际的需要进行编写。由于本系统主要是用于实验室内仿真使用，具体的流程图如下：
图2 系统软件流程图
5、关键问题及解决方案
对于大型的仿真设备都会由于机械设计及加工等方面的影响，会受到机械谐振的不利影响，这使得系统的性能受到很大的影响，为了解决这一问题，我们在控制方法的选择上采用了最优控制以及利用数模混合方式设置了带阻滤波器，很好的解决这一问题。
由于摩擦力矩的存在，转台在低速运行的时候，很容易低速爬行以及速率波动等现象。为达到期望的静态和低速指标，必须对系统的摩擦力矩进行补偿，在控制上采用增大比例增益和提高积分作用来改善系统的低速性能。
由于低速性能要求增加积分作用和比例增益以及动态性能受到机械谐振的影响，单一的控制方法不能满足要求。为此，采用了一些复合控制方法，使系统在不同的状态和指标要求下都具有不同的适应性。
6、小结
通过以上所采取的系统总体设计、硬件部分设计和软件部分设计，该转台系统可以很有效地满足××型无人机在实验室内进行姿态模拟仿真的要求了;同时，在设计系统软件部分时，通过更改系统模型参数，可以同时满足其他多种无人机实验室仿真的需要，检验无人机的各项硬件参数、软件的性能及工作的可靠性。
另外，该型号的仿真转台也可以满足一些低精度的陀螺仪和惯性组合的测试。
参考文献：
[1] 余德义等.NH-96无人驾驶飞机飞行仿真系统. 南京航空航天大学学报，1998，30：1
[2] 仿真转台克服低速滞滑的判据研究.系统工程与电子技术，2002，22：7
[3] 文传源.现代飞行控制系统.北京航空航天大学出版社.1992
