專利名稱：一種基于1553b總線的三余度數(shù)字式作動器控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明厲于機(jī)電伺服控制技術(shù)，涉及一種基于1553B總線的三余度數(shù) 字式作動器控制器。
技術(shù)背景伺服作動系統(tǒng)是飛行器控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，用于實(shí)現(xiàn)飛行器舵面 的位置控制，是組成飛行控制系統(tǒng)的重要分系統(tǒng)之一。研制高可靠、高性 能的伺服作動器控制器對于提高伺服作動系統(tǒng)乃至整個飛行控制系統(tǒng)的 性能有著重要意義。充分利用數(shù)字計(jì)算機(jī)的智能化，向數(shù)字化、集成化和結(jié)構(gòu)簡化的方 向發(fā)展，是飛行控制、作動控制今后發(fā)展的必然趨勢。盡管數(shù)字伺服系 統(tǒng)的概念早已提出，數(shù)字計(jì)算機(jī)在飛行控制系統(tǒng)中使用已有多年，然而 當(dāng)前飛行控制的作動系統(tǒng)仍采用模擬式控制回路，不可避免地存在結(jié)構(gòu)繁雜，元器件數(shù)量眾多，可靠性差，易受干擾；控制算法簡單，功能 單一，難以實(shí)現(xiàn)余度管理；不具備總線通信能力等缺點(diǎn)，不能適應(yīng)現(xiàn)代 飛行控制系統(tǒng)的任務(wù)要求。.借助DSP等高速數(shù)字處理器和1553B數(shù)字總線，本發(fā)明中的數(shù)字控 制相比模擬控制具有明顯的優(yōu)越性-.(1) 為了提髙可靠性，伺服作動系統(tǒng)幾乎不無例外地都要采取冗余 配置，冗余技術(shù)在提髙系統(tǒng)可靠性的同時(shí)增加了伺服作動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地復(fù) 雜性。系統(tǒng)除了需要伺服控制功能外，還實(shí)現(xiàn)比較監(jiān)控、信號表決等復(fù) 雜邏輯運(yùn)算等余度管理策略，數(shù)字控制方式容易實(shí)現(xiàn)這些功能；數(shù)字控 制可以實(shí)現(xiàn)臠覆蓋率的機(jī)內(nèi)檢測與自診斷。(2) 數(shù)字控制便于修改控制律構(gòu)型或?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的增益或參數(shù)的多變量函數(shù)變化規(guī)律，為大運(yùn)算量的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)算法提供了硬件 平臺。(3) 數(shù)字控制器的抗干擾性更強(qiáng)，體積更小、重量更輕，系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡化。釆用DSP等嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以將其與作動器整合在一起， 組成集成式數(shù)字作動系統(tǒng)或稱為靈巧型作動系統(tǒng)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單、可靠。(4 ) 1553B總線是一種雙余度、高實(shí)時(shí)性的數(shù)字總線，和傳統(tǒng)模擬 信號傳輸方式相比，其可靠性髙、抗干擾能力強(qiáng)，有利于系統(tǒng)余度配置 和管理方案的實(shí)施，有利于伺服作動系統(tǒng)向模塊化方向發(fā)展。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種高可靠性、控制性能更好、體積更小、 結(jié)構(gòu)更為簡化的具有1553B總線通信能力的作動器控制器。本發(fā)明的技術(shù)方案是基于1553B總線的三余度數(shù)字式作動器控制 器，釆取同構(gòu)型三余度配置，主動并列運(yùn)行工作方式，每個通道在硬件 上主要包括DSP處理器IO， CPLD芯片13， FLASH存儲器05, A/D轉(zhuǎn)換 器12， D/A轉(zhuǎn)換器07，驅(qū)動電路模塊08，三口 RAM 06，通道隔離模塊 14， 1553B總線通信模塊09,其特征在于(1) 浮點(diǎn)型DSP處理器IO，是控制器的核心，控制器通過1553B總 線方式與飛控計(jì)算機(jī)通信，接收飛控指令，向飛控計(jì)算機(jī)發(fā)送作動器工 作狀態(tài)。1553B總線與DSP處理器之間的接口電路由CPLD芯片13實(shí)現(xiàn)。(2) 三通道之間的交叉通道鏈接(CCDL-Cross Channel Data Link) 采用三端口 RAM 06實(shí)現(xiàn)，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了通信速度和可靠性。2、作動器控制器的余度配置、管理方案及其控制方法，其特征在于(1) 將作動器控制器三余度配置，采取了比較監(jiān)控和DSP處理器10、 FLASH存儲器05、 A/D轉(zhuǎn)換器12、 D/A轉(zhuǎn)換器07、驅(qū)動電路模塊08等單 元自監(jiān)控措施，可以檢測系統(tǒng)一次故障、二次故障。檢測到故障后，通 道隔離模塊14對故障通道隔離，實(shí)現(xiàn)控制器二次故障工作，從而提高系 統(tǒng)可靠性。(2) 作動器控制器的控制算法采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的自適應(yīng)控制 算法，保證伺服作動系統(tǒng)在余度降級后動靜態(tài)特性盡可能不降低。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的數(shù)字式作動器控制器能與作動器組合在一起，組成 集成式數(shù)字作動系統(tǒng)，即靈巧型作動系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是與常規(guī)作動器控制器相比，本控制器可靠性更高; 處理能力強(qiáng)大，借助復(fù)雜的智能控制算法實(shí)現(xiàn)更髙的控制品質(zhì)；抗干擾 能力更強(qiáng)；體積、重量縮小，便于簡化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)伺服作動系統(tǒng)集成化。


圖1是本控制器余度配置方案框圖。圖2是本控制器單通道硬件結(jié)構(gòu)框圖。圖3是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的自適應(yīng)控制策略示意圖。
具體實(shí)施方式
下面對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
1. 系統(tǒng)余度配置與管理方案(參見圖1)。本控制器在硬件上采用同構(gòu)型三余度配置，主動并列運(yùn)行工作方式， 每個通遒都具有獨(dú)立工作，完成同樣的功能。系統(tǒng)設(shè)立兩個信號表決/監(jiān)控面?zhèn)鞲衅鱈VDT信號輸入作動器控制 器處，用于檢測和隔離傳感器和信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路的故障。作動器控 制器控制指令輸出處，檢測和隔離作動器控制器、D/A通道等可能出現(xiàn)的 故障。表決/監(jiān)控面除具有故障檢測、隔離功能外，還有選擇正確工作信 號的作用。飛控計(jì)算機(jī)與作動器控制器之間采取1553B總線通信。1553B總線要 實(shí)現(xiàn)以下功能飛控計(jì)算機(jī)向作動器控制器發(fā)送飛控指令；作動器控制 器向飛控計(jì)算機(jī)匯報(bào)余度數(shù)字化作動器的工作狀態(tài)。線位移傳感器LVDT 與作動器控制器之間釆用交叉增強(qiáng)的傳輸方式，每個作動器控制器可以 釆集到三通道線位移信息，三通道上只要一個傳感器正常，通過信號選 擇器三通道作動器就能得到正確的工作信號。三通道之間通過三端口 RAM 進(jìn)行數(shù)據(jù)交叉通道鏈接(CCDL)。作動器控制器在輸出伺服閥控制信號之 前首先將該控制信號輸出給其它兩個通道進(jìn)行信號交叉?zhèn)鬏?，某通道?動器控制器得到其它兩通道和本通道控制信號進(jìn)行比較，經(jīng)信號選擇器 選擇后輸出。借助控制器的數(shù)字運(yùn)算能力和監(jiān)控程序，系統(tǒng)采用的自檢測手段包 括處理機(jī)自檢測、存儲器UOM)存儲總和校驗(yàn)、A/D轉(zhuǎn)換通道自檢測、 1553B總線自檢測、功率放大電路自檢測、作動器自檢測等?？刂破饕淮?故陣通過比較監(jiān)控的形式檢測，通過自檢測的形式檢測二次故障。檢測 通道故障后，邇道隔離模塊切斷故障通道，同時(shí)將其檢測到的故障和故 障處理信息傳給飛控計(jì)算機(jī)。
2. —種基于1553B總線的三余度數(shù)字式作動器控制器單通道硬件結(jié)構(gòu)(參見圖2),主要包括DSP處理器IO， CPLD芯片13, FLASH存儲器 05， A/D轉(zhuǎn)換器12, D/A轉(zhuǎn)換器07,驅(qū)動電路模塊08，通道隔離模塊14， 三端口 RAM 06, 1553B總線通信模塊09。其中DSP處理器10由外部晶體起振，經(jīng)DSP處理器10內(nèi)部的PLL 電路倍頻產(chǎn)生時(shí)鐘信號。通過把DSP處理器10工作模式設(shè)置為微計(jì)算機(jī) 模式，從而使芯片復(fù)位時(shí)可以實(shí)現(xiàn)程序的引導(dǎo)裝載功能。為了提高DSP 處理器10運(yùn)行時(shí)的可靠性，配置了處理器監(jiān)控電路ll，既可以監(jiān)控DSP 處理器10的芯片電壓，同時(shí)具有看門狗作用， 一旦檢測到芯電壓低于正 常值，或者接收不到DSP處理器10輸出的喂狗信號，將向DSP處理器IO 發(fā)出一個低電平復(fù)位信號。CPLD芯片13通過原理圖結(jié)合硬件描述語言的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要用 于實(shí)現(xiàn)DSP處理器10對外圍電路的邏輯控制、時(shí)序控制、譯碼片選等功 能，具備在系統(tǒng)編程能力(ISP),而且其I/0 口兼容多種外部電壓，能方 便地和不同供電電壓的器件直接相連。Flash存儲器05主要作為片外程序存儲器，芯片容量根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇.用戶向其特定地址寫入特定的指令序列，通過這些指令序列 可以完成復(fù)位、校驗(yàn)、整片擦除、塊擦除、扇區(qū)擦除、操作字寫入等 操作。當(dāng)然，只要不脫離本發(fā)明的主旨，選用其它可再編程、非易失性 存儲體也不脫離本發(fā)明范疇。A/D轉(zhuǎn)換器12用于采集模擬信號，如各傳感器反饋的位置信號，將 其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，提供給DSP處理器IO，進(jìn)行控制律運(yùn)算；還采集伺 服閥等監(jiān)控信號。A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)方式為軟件觸發(fā)，轉(zhuǎn)換結(jié)果可由查詢或中 斷方式讀取，其中中斷讀取方式又分單次讀取和塊讀取兩種，可以根據(jù) 軟件實(shí)際情況決定。方式的設(shè)定與控制管理由CPLD芯片13實(shí)現(xiàn)。D/A轉(zhuǎn)換器07用于將DSP處理器10計(jì)算得到的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換成模 擬電壓信號輸出。輸出的模擬電壓信號經(jīng)過調(diào)理、濾波等為驅(qū)動電路模 塊08提供控制信號。驅(qū)動電賂楔塊08將D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制信號進(jìn)行功率放大，驅(qū)動被 控對象(如銅服閥等)實(shí)現(xiàn)控制目的?？刂破鞲鶕?jù)本通道各部件故障檢測的結(jié)果通過IO 口發(fā)送出來的邏輯 信號，通遒隔離模塊14對該邏輯信號進(jìn)行功率放大，驅(qū)動電磁閥等邏輯元件對故陣通道進(jìn)行隔離。三口 RAM 06用來實(shí)現(xiàn)通道間CCDL，與其它兩通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏敗Ｔ谶冃沤涌诜矫?，本控制器釆用了武器平臺廣泛應(yīng)用的 MIL-STD-1553B總線。3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的自適應(yīng)控制策略(參見圖3)。在控制策略方面釆用基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能PID控制策略，在常 規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力，調(diào)整控制器的 控制參數(shù)，構(gòu)造一個具有自適應(yīng)能力的智能控制器，可以克服常規(guī)PID 的控制器的不足。圖3基于RBF網(wǎng)絡(luò)PID控制器的余度舵機(jī)控制方案，基于RFB神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器和PID控制器組成。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 辨識器將余度舵機(jī)輸入量和輸出量的延遲信號作為輸入，用模型的辨識 誤差實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、跟蹤對象模型變化，提供辨識模型的Jacobian 矩陣；PID控制器利用跟蹤誤差和Jacobian矩陣調(diào)整PID控制參數(shù)。本文中RBF網(wǎng)絡(luò)采用三個輸入層節(jié)點(diǎn)，六個隱含層節(jié)點(diǎn)。RBF網(wǎng)絡(luò)辨 識器的輸入向量為<formula>formula see original document page 8</formula> (式i)辨識器的輸入增加了輸出量的 一 個延遲環(huán)節(jié)以更好地描述系統(tǒng)的動 態(tài)特性。辨識器的性能指標(biāo)函數(shù)為<formula>formula see original document page 8</formula> (式2)根據(jù)梯度下降法，輸出權(quán)、節(jié)點(diǎn)中心和節(jié)點(diǎn)基寬參數(shù)的迭代算法為
<formula>formula see original document page 8</formula>(式3)<formula>formula see original document page 8</formula> (式4)<formula>formula see original document page 8</formula> (式5)<formula>formula see original document page 8</formula>(式6)<formula>formula see original document page 8</formula> (式7) 其中，》7為學(xué)習(xí)效率，《為動量因子。Jacobian陣反映被控對象的輸出對控制量輸入變化的靈敏度，當(dāng)神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器能很好地逼近被控對象時(shí)，可以用辨識器輸出&近似代替被控對象輸出y, Jacobian陣算法為，*腿^￡￡^1 (式8)PID控制器控制參數(shù)Kp， Ki, Kd參數(shù)的調(diào)整釆用梯度下降法<formula>formula see original document page 9</formula>RBF網(wǎng)絳整定下的PID控制器控制參數(shù)調(diào)整曲線，隨著控制指令、干 擾以及控制對象結(jié)構(gòu)變化等因素發(fā)生變化時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動調(diào)整著PID 參數(shù)，使其保持著最佳的輸出組合?；赗BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能PID控制策略運(yùn)算復(fù)雜高，計(jì)算量大，可以借助本控制器中DSP處理器的高速運(yùn)算能力得以實(shí)現(xiàn)，達(dá)到更高品質(zhì) 的控制效果。
權(quán)利要求
1. 一種基于1553B總線的三余度數(shù)字式作動器控制器，采取同構(gòu)型三余度配置，主動并列運(yùn)行工作方式，其特征在于每個余度通道在硬件上主要包括浮點(diǎn)型DSP處理器10，CPLD芯片13，F(xiàn)LASH存儲器05，A/D轉(zhuǎn)換器12，/DA轉(zhuǎn)換器07，驅(qū)動電路模塊08，三端口RAM 06，通道隔離模塊14，1553B總線通信模塊09。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于1553B總線的三余度數(shù)字式作 動器控制器，其特征在于浮點(diǎn)型DSP處理器IO，是控制器的核心，采 用流水線的指令結(jié)構(gòu)，哈佛總線結(jié)構(gòu)，硬件乘法器等特殊設(shè)計(jì)，具有高 速運(yùn)算能力，為實(shí)時(shí)完成控制算法和余度管理策略提供硬件支持。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于1553B總線的三余度數(shù)字式作 動器控制器，其特征在于1553B總線通信模塊09,是一種雙余度、髙 可靠性、高實(shí)時(shí)性的軍用總線模塊?？刂破魍ㄟ^它與飛控計(jì)算機(jī)通信， 接收飛控指令，向飛控計(jì)算機(jī)發(fā)送作動器工作狀態(tài)。1553B總線與DSP 處理器之間的接口電路由CPLD芯片13實(shí)現(xiàn)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于1553B總線的三余度數(shù)字式作 動器控制器，其特征在于釆用三端口 RAM 06實(shí)現(xiàn)三通道之間的交叉 通道鏈接(CCDL-Cross Channel Data Link),簡化了結(jié)構(gòu)，提高了通 信速度和可靠性。
5、 根揚(yáng)權(quán)利要求1述的一種基于1553B總線的三余度數(shù)字式作動 器控制器采用了余度配置、管理方案及相應(yīng)控制方法，其特征在于(1) 將作動器控制器三余度配置，釆取了比較監(jiān)控和DSP處理器 10、 FLASH存儲器15、 A/D轉(zhuǎn)換器12、 D/A轉(zhuǎn)換器07、驅(qū)動電路模塊08 等單元自監(jiān)控措施，可以檢測系統(tǒng)一次故障、二次故障。檢測到故障后， 通道隔離模塊14對故障通道隔離，實(shí)現(xiàn)控制器二次故障工作，從而提 高系統(tǒng)可靠性。(2) 作動器控制器的控制算法采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的自適應(yīng)控制 算法，保證伺服作動系統(tǒng)在余度降級后動靜態(tài)特性盡可能不降低。
6、根據(jù)權(quán)利要求1, 5所述的一種基于1553B總線的三余度數(shù)字 式作動器控制器，其特征在于可以將控制器與作動器組合在一起，組 成集成式數(shù)字作動系統(tǒng)，即靈巧型作動系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明屬于伺服控制技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了一種基于1553B總線的三余度數(shù)字式作動器控制器，涉及以高性能數(shù)字處理器(DSP)為核心的控制電路模塊及其冗余配置和管理方案。本數(shù)字式作動器控制器在硬件上主要包括DSP處理器10，復(fù)雜可編程器件13，F(xiàn)LASH程序存儲器05，A/D轉(zhuǎn)換器12，D/A轉(zhuǎn)換器07，驅(qū)動電路模塊08，三端口RAM 06，通道隔離模塊14，1553B總線通信模塊09。本作動器控制器相比傳統(tǒng)的模擬式控制器，可以實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)復(fù)雜的控制算法，完成伺服作動系統(tǒng)的余度管理，隔離故障單元，進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)二次故障工作，有利于伺服作動器向模塊化、集成化、智能化和高可靠性方向發(fā)展。
文檔編號G05B19/042GK101216701SQ20071006320
公開日2008年7月9日 申請日期2007年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月4日
發(fā)明者康榮杰, 焦宗夏, 陳必華, 靳紅濤 申請人:北京航空航天大學(xué)