1. 引言

由于各種民用、軍用飛行器技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)今世界各國(guó)都十分重視半實(shí)物仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用,而飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)是半實(shí)物仿真的重要設(shè)備之一。通常，飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)提供模擬飛行器飛行姿態(tài)角和為被試件提供測(cè)試條件的功能，以便驗(yàn)證全數(shù)字仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)一步優(yōu)化或改良飛行器設(shè)計(jì)方案。而對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)這樣一個(gè)典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)講，控制器扮演重要角色，其優(yōu)劣直接決定飛行仿真實(shí)驗(yàn)的成敗和效果。因此，尋求簡(jiǎn)單易用且可靠的控制器成為轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。

2. 使用PMAC控制器

隨著自動(dòng)控制理論和數(shù)字計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，使以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)控制技術(shù)迅猛發(fā)展，被控對(duì)象規(guī)模更大，控制過(guò)程和規(guī)律也更加復(fù)雜和精密，控制方法也更加靈活多樣。在轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)中，除了用來(lái)產(chǎn)生輸入信號(hào)的仿真機(jī)之外，計(jì)算機(jī)還扮演了控制器的角色。在這里，計(jì)算機(jī)可以是單片機(jī)、工控機(jī)或者是PC等。根據(jù)控制器的不同形式，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分為集中式，分布式，集散式三種類(lèi)型，其中集散式控制器又分為PC機(jī)與單片機(jī)，PC機(jī)與PC機(jī)，PC機(jī)與嵌入式控制器三種形式。

在控制系統(tǒng)中使用PMAC，采用的就是PC機(jī)與嵌入式控制
器組合這種形式。

2.1問(wèn)題的提出

轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)通常采用上、下位機(jī)的形式。如圖1所示，常見(jiàn)的控制器一般位于下位機(jī)，由其給出具體控制算法，并由下位機(jī)總線(xiàn)上的各個(gè)分立器件（如放大器，DA、AD轉(zhuǎn)換裝置等）來(lái)完成輸出控制信號(hào)和采集被控對(duì)象位置/速度等信息的功能，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)卡等通信設(shè)備與上位機(jī)交換信息。這里，控制器的功能由一個(gè)各部分相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)來(lái)完成，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制算法實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)采集都較為復(fù)雜;加上各個(gè)設(shè)備之間可能存在的干擾，整個(gè)系統(tǒng)的安裝調(diào)試需要花費(fèi)較多的精力才能完成。這樣看來(lái)，如果整個(gè)下位機(jī)（包括提到的各種功能）能夠由一個(gè)獨(dú)立的通用部件完成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試所面對(duì)的困難就要小得多。PMAC控制器正好可以達(dá)成這一目的。

2.2 PMAC簡(jiǎn)介

PMAC的全稱(chēng)是Programmable Multi Axis Controller，由美國(guó)Delta Tau公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)。PMAC系列包含適用多種總線(xiàn)平臺(tái)的板卡以及適于獨(dú)立使用的組件。PMAC基于DSP（數(shù)字信號(hào)處理器），是一種通用的運(yùn)動(dòng)控制器，但更適用于數(shù)控機(jī)床等軸運(yùn)動(dòng)設(shè)備。它可以控制2 – 32根軸的運(yùn)動(dòng)（18塊PMAC級(jí)聯(lián)可以控制128根軸），同時(shí)包含多路數(shù)字I/O和DA/AD裝置;可以自動(dòng)生成各種控制曲線(xiàn)的軌跡，并允許用戶(hù)方便的生成自己的控制代碼。由于DSP的強(qiáng)大功能，PMAC甚至集成了典型的控制算法（也可以由用戶(hù)提供自己的控制算法），并提供高精度的計(jì)算能力。用于PC的PMAC提供ISA/PCI總線(xiàn)或串口的通信方式，并提供了一組編程接口供高級(jí)用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

PMAC非常適合于對(duì)軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。因此，只要滿(mǎn)足指標(biāo)要求，飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)也可以采用PMAC作為控制器。這樣，整個(gè)下位機(jī)物理結(jié)構(gòu)可以大大簡(jiǎn)化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程也變得相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖2是PMAC本身提供的前饋濾波+PID控制算法的框圖，其中的各個(gè)參數(shù)都可以調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足不同需要。

圖2：PMAC的PID框圖
3. 系統(tǒng)構(gòu)成方法

3.1 由PMAC構(gòu)成上下位機(jī)系統(tǒng)

簡(jiǎn)化的邏輯框圖如圖3所示。

圖中，PMAC控制卡通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)與上位機(jī)相聯(lián)，碼盤(pán)等測(cè)速或測(cè)角機(jī)構(gòu)通過(guò)PMAC上的DD接口傳遞位置、速度等信息，經(jīng)PMAC處理，并按上位機(jī)給出的控制要求通過(guò)PMAC上的DA接口輸出合適的電平信號(hào)控制轉(zhuǎn)臺(tái)上的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而構(gòu)成控制閉環(huán)。

另外，PMAC通過(guò)總線(xiàn)向上位機(jī)交換報(bào)告轉(zhuǎn)臺(tái)位置、運(yùn)行安全等信息，并從上位機(jī)獲得程序運(yùn)行所需要的命令，如程序開(kāi)始、結(jié)束和系統(tǒng)復(fù)位等。

由于PMAC自身的特性，使諸如碼盤(pán)信號(hào)換算、行程限位等功能可以很方便的實(shí)現(xiàn)，且PMAC的可編程特性使系統(tǒng)經(jīng)由很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成要比普通的上下位機(jī)系統(tǒng)顯得簡(jiǎn)單實(shí)用。而PMAC的使用也使系統(tǒng)更具通用性，只需作少量調(diào)整即可應(yīng)用于其他設(shè)備。

3.2軟件環(huán)境的選擇

過(guò)去用于轉(zhuǎn)臺(tái)控制的上下位機(jī)軟件系統(tǒng)普遍采用DOS作為操作系統(tǒng)。這一方面是受當(dāng)時(shí)的條件限制，另一方面也是由于DOS的開(kāi)放性，程序可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，且一般認(rèn)為DOS的實(shí)時(shí)性較好。缺點(diǎn)是控制軟件的圖形界面不容易通過(guò)編程的方式生成，控制和通信程序中揉雜大量用于生成用戶(hù)界面的代碼，調(diào)試和維護(hù)比較困難，而且直接直接對(duì)硬件操作使得程序通用性較差。隨著計(jì)算機(jī)軟/硬件及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，一方面計(jì)算機(jī)硬件的價(jià)格顯著降低，軟件產(chǎn)品極大豐富，另一方面使用者對(duì)程序界面的要求也逐漸提高，越來(lái)越多的控制系統(tǒng)軟件開(kāi)始采用Windows作為操作系統(tǒng)。對(duì)于PMAC而言，它同時(shí)提供了基于DOS和Windows的配置程序、二次開(kāi)發(fā)工具以及例程。穩(wěn)定性方面，Windows作為控制系統(tǒng)上位機(jī)的操作系統(tǒng)已經(jīng)是流行的做法，說(shuō)明它可以滿(mǎn)足一般要求;而實(shí)時(shí)性更是一個(gè)相對(duì)概念，對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)而言，只要你有足夠快的硬件設(shè)備和不太差的控制/通信程序，毫秒級(jí)的時(shí)間精度不難達(dá)到。

這樣，如果采用PMAC作控制器，我們可以選用Windows作為上位機(jī)的操作系統(tǒng);而PMAC運(yùn)行一般并不需人為干預(yù)，結(jié)果合適配置，上電后會(huì)按既定的方式執(zhí)行程序。PMAC通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序+開(kāi)發(fā)庫(kù)的方式提供與OS的接口，Windows下常見(jiàn)的開(kāi)發(fā)工具都可以使用。

4. PMAC相關(guān)的程序設(shè)計(jì)

作為一款成熟的工業(yè)產(chǎn)品，PMAC不僅提供了快速穩(wěn)定的硬件平臺(tái)，也提供了一套完整的二次開(kāi)發(fā)接口供高級(jí)用戶(hù)使用。PMAC用于數(shù)控機(jī)床等的控制時(shí)，可以由用戶(hù)編寫(xiě)程序在相應(yīng)的坐標(biāo)系內(nèi)對(duì)各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行方便的控制，并方便地取得各個(gè)軸的速度、加速度、位置等信息。

4.1 PMAC的基本運(yùn)行方式

在PMAC和PC構(gòu)成的系統(tǒng)中，相對(duì)于PMAC，PC機(jī)一側(cè)一般稱(chēng)為主機(jī)（Host）。

PMAC上的DSP芯片起到C
PU的作用，通過(guò)DSP Gate控制程序的運(yùn)行。用于PC的PMAC的啟動(dòng)過(guò)程和普通的板卡沒(méi)有太大的區(qū)別：主機(jī)上電后，PMAC默認(rèn)通過(guò)PCI或ISA總線(xiàn)（取決于PMAC的種類(lèi)）與主機(jī)通信，隨后PMAC開(kāi)始自檢過(guò)程（這一點(diǎn)上很象一臺(tái)計(jì)算機(jī)），如果PMAC自檢沒(méi)有問(wèn)題，則從板上自帶的EPROM內(nèi)讀取變量初始設(shè)置等配置信息;如果有活動(dòng)的PLC程序且PLC程序可以運(yùn)行，則PLC程序也會(huì)開(kāi)始在后臺(tái)運(yùn)行。PMAC啟動(dòng)完成后，則可以接收來(lái)自主機(jī)總線(xiàn)或端口（串行口）的指令，進(jìn)行進(jìn)一步的動(dòng)作。