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逢甲大學自動控制工程學系專題製作

專題論文

戰鬥機緊急逃生模擬系統之研製

The Development of Fighter’s Escape System

指導教授：林俊良

學生：練建良

中華民國九十二年五月三十日

i

感謝

首先感謝吾師林俊良教授細心導引及啟發觀念，在寫作期間不厭其煩的指

導，再者感謝智慧型控制實驗室的學長們詹弘雍、洪皓臻、劉俊德、林稚融、施

維竣，在專題研究及研究所升學經驗上給予相當多的建議，另外也特別感謝陳俊

雄學長在專題研究中，細心的指導如何使用 xPC Target及專題方面的建議；也謝

謝林銘湧學長從 DSP的程式寫作方法及步驟的細心指導，並於當兵放假期間，

特地北上台中指導使用 DSP，並陪我在學校並肩作戰到凌晨四點。還有感謝自控

四甲機電整合組的同學們，無論是在專題研究上及做人處事上給予我很大的幫

助，跟你們在一起努力、一起歡笑、一起翹課的日子，將是我這一生中最難忘的

回憶。

最後，僅以此論文獻給我最愛的父母及家人，謝謝你們長久以來的支持與鼓

勵，在我遭遇挫折灰心喪氣時給予我相當多的關懷，並且讓我在求學生涯中無後

顧之憂。

練建良

謹誌

中華民國九十二年六月

ii

中文摘要

隨著工業科技的進步,戰鬥機的性能也隨之成長。但是，高速飛行的戰鬥機

的本身相當危險，而駕駛員就站在這危險的最前線。忽略一些小細節，常常會導

致一些不可挽回的悲劇，為了保護戰鬥機駕駛員的安全，需要研發一套模擬逃生

平台，來提供駕駛員之模擬訓練。

專題之目的在於開發一套新穎且低成本之彈射椅煞車控制系統與即時模擬

平台。研究中設計兩種不同煞車控制器，在Matlab-Simulink環境下進行將這兩

種煞車控制器的電腦模擬，並給予不同戰機彈射椅之角度，綜合各項模擬數值來

訂定最合適的煞車控制器。其次，以 TMS320數位信號處理器(Digital Signal

Processor;DSP)作為煞車系統的控制器，藉由 xPC Target目標模擬器模擬彈射椅

之硬體機構，進行即時模擬與分析。本研究中我們探討如何以嶄新的控制理論，

設計彈射椅煞車控制系統並進行性能驗證。目標是希望控制器能夠在座椅高速彈

射情況下，提供有效的煞車致動命令，以保證座椅能在有限距離內完全煞停。

iii

Abstract

With the progress in the technological industry, the functions of fighers’ equip have been promoted. Nevertheless, speedy fighters are in a state of danger. If we neglect any detail, pilots who are in the first line will meet tragedies. In order to make sure their security, we should develop a visualizing excapt system for those fighters to practice. . The theme in the thesis concentrates on building up a new but economy controlling system of break as well as a system of immediate emulation. In the research, we contrive two diverse break-controllers and then test them with computer emulation under Matlab-Simulink condition. Besides, with various angles of jumping chair and calculation of numbers, we will bring the best proper break-controller out. In addition, Digital Signal Processor will be the controller of break-system. By the Xpc Target atmosphere to visualize jumping chair, we process immediate emulation and analyze. We in the research try to discover a new controlling theory, to plan controlling system of break and to demonstrate its effectiveness, which offer a valid break order under the speedy situation and guarantee that the chair will completely stop within the definite distance. .

iv

目錄

感謝⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯i

中文摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ii

英文摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯iii

目錄⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯iv

圖目錄⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯vi

表目錄⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ix

符號說明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯x

參數表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯xi

第一章序論⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1

1.1 研究動機⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1

1.2 研究方法及步驟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1

第二章理論探討⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3

2.1 模糊控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3

2.2 模糊控制器的設計方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3

2.3 彈射機構動態分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4

2.4 彈射椅模糊煞車控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

2.5 模擬結果與分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17

第三章即時模擬平台之建構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯29

3.1 即時電腦於迴路模擬⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯29

3.2 xPC Target 即時目標模擬器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯30

3.3 xPC Target 的設定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯32

3.4 xPC Target A/D與 D/A的測試⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36

v

3.5 彈射椅硬體環境的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38

第四章 DSP 模擬煞車控制器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40

4.1 DSP數位訊號處理器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40

4.2 硬體環境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41

4.3 DSP數位控制器A/D與D/A的測試⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43

4.4 彈射椅煞車控制器的設計流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46

第五章結論⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53

參考文獻⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯54

附錄⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯56

vi

圖目錄

圖 2.1 模糊控制器基本架構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4

圖 2.2 彈射模擬機構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

圖 2.3 氣壓彈射命令⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

圖 2.4 彈射機構之合力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 2.5 Fuzzy 彈射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 圖 2.6 Fuzzy-PWM 彈射椅煞車控制系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

圖 2.7 電磁閥驅動訊號與載波及控制訊號之關係⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

圖 2.8 控制器採三階段煞車控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9

圖 2.9 電磁開關碟式煞車控制系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9

圖 2.10 脈寬調制機制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10

圖 2.11 彈射椅之摩擦力模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10

圖 2.12 增壓模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10

圖 2.13 減壓模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11

圖 2.14 追蹤誤差之隸屬函數⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11

圖 2.15 追蹤誤差變化率之隸屬函數⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12

圖 2.16 三段式時間判斷之隸屬函數⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12

圖 2.17 電磁開關碟式煞車控制命令之隸屬函數⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13

圖 2.18 漸進蝶式煞車控制器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15

圖 2.19 漸進碟式煞車控制命令之隸屬函數⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16

圖 2.20 Fuzzy 電磁開關碟式煞車控制訊號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 圖 2.21 模糊推論命令⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18

圖 2.22 PWM 載波⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18

圖 2.23 Fuzzy-PWM 電磁開關碟式煞車控制命令⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18

圖 2.24 漸進碟式煞車系統之控制命令⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19

圖 2.25 Fuzzy 電磁開關碟式煞車之彈射椅位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 圖 2.26 Fuzzy-PWM 電磁開關碟式煞車之彈射椅位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19

圖 2.27 漸進碟式煞車系統之彈射椅位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20

圖 2.28 Fuzzy 電磁開關碟式煞車之彈射椅速度(及放大圖)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20 圖 2.29 Fuzzy-PWM 電磁開關碟式煞車之彈射椅速度(及放大圖)⋯⋯⋯⋯⋯21

圖 2.30 漸進碟式煞車系統之彈射椅速度(及放大圖)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21

圖 2.31 Fuzzy 電磁開關碟式煞車之煞車力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21 圖 2.32 Fuzzy-PWM 電磁開關碟式煞車之煞車力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22

圖 2.33 漸進碟式系統之煞車力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22


圖 2.36 漸進碟式煞車系統之彈射椅位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

vii




圖 2.42 漸進碟式煞車系統之煞車力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯25


圖 2.45 漸進碟式煞車系統之之彈射椅位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯26




圖 2.51 漸進碟式系統之煞車力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯28

圖 3.1 彈射椅—電腦於迴路之即時模擬整合系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯30

圖 3.2 xPC Target 介面板⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯32 圖 3.3 xpcsetup 之視窗⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33 圖 3.4 xPC Target 連線成功⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34 圖 3.5 xPC Target 6024E 接腳圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36 圖 3.6 xPC Target 的 A/D 測試結果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯37 圖 3.7 主控端D/A 測試 model⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯37 圖 3.8 xPC Target 的 D/A 測試結果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38 圖 3.9 彈射椅的動態硬體迴路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39

圖 4.1 DSP 訊號轉換⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40 圖 4.2 TMS320F240 晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42 圖 4.3 LH-069 實習版⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43 圖 4.4 DSP 數位控制器 A/D 測試結果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯44 圖 4.5 DSP 數位控制器 A/D 測試圖表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯44 圖 4.6 DSP 數位控制器 D/A 測試程式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45 圖 4.7 DSP 數位控制器 D/A 測試結果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45 圖 4.8 模擬彈射椅架構圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46

圖 4.9 DSP 煞車控制器流程圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46 圖 4.10 程式設計流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47

圖 4.11 PWM控制訊號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48

圖 4.12 模擬AT3教練機彈射椅彈射速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯49

圖 4.13 模擬AT3教練機彈射椅彈射加速度⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯49

圖 4.14 模擬AT3教練機彈射椅力矩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯49

viii

圖 4.15 模擬幻象戰機彈射椅彈射速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50

圖 4.16 模擬幻象戰機彈射椅彈射加速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50

圖 4.17 模擬幻象戰機彈射椅力矩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50

圖 4.18 模擬IDF戰機彈射椅彈射速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖 4.19 模擬IDF戰機彈射椅彈射加速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖 4.20 模擬IDF戰機彈射椅力矩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

ix

表目錄

表 2.1 電磁開關碟式煞車模糊控制器之規則⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14

表 2.2 漸進碟式煞車模糊控制器之模糊規則⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16

x

符號說明

( )e t 追蹤位差

( )e t 追蹤誤差變化率

( )y t 彈射座椅在滑軌座標上的即時位置

fy 彈射座椅在滑軌座標上的終端位置

actF 彈射椅之合力

a 彈射椅上升時之加速度

θ 彈射椅之彈射角度

µ 斜面之摩擦係數

K 液壓延遲增益常數

fK 力矩常數

I 轉動慣量

rR 輪子半徑

m 彈設機構重量

bT 煞車力矩

wT 輪子產生之力矩

hT 液壓延遲時間

w 角加速度

w 角速度

D 油壓之油密度

1v 彈射椅之初速

1S 彈射行程

1a 彈射初始加速度

xi

參數表

符號大小(單位)

m 100 kg

µ 0.2

Θ 13°,27°,34°

kf 1 m

Th 0.15 sec

Rr 0.3 m

1

第一章序論

1.1研究動機

隨著國防科技的快速發展，戰鬥機性能也隨之提升，現代戰機能超越音速

已不再是一件驚奇的事，甚至可以在空中做一些高難度360度翻轉或是急速爬升

或落下，也因為如此高性能的戰力，才有能力來保障國家的安全。但是，高速飛

行的戰鬥機的本身相當危險，而駕駛員就站在危險的最前線。忽略一些小細節，

常常會導致一些不可挽回的悲劇，過去常發生一些飛安意外，使得戰鬥機駕駛員

的生命受到威脅。平時駕駛員除了戰鬥飛行訓練外，罕有機會進行實際之緊急彈

跳訓練，一但碰到需要緊急彈跳之情況，往往會因為操作不熟練而無法順利逃

生，或因為操作不當而造成不可彌補的傷害。有鑑於此，實有必要研發一套擬真

的彈射訓練機構，讓戰鬥機駕駛員有機會反覆練習，遇到緊急事故時，可以確保

戰鬥機駕駛員的生命安全。有關傳統戰鬥機彈射逃生系統之設計及分析可參閱

[1-4]。

本計畫之最終目的在於完成彈射椅煞車控制系統之實際設計，並以數位信

號處理器(Digital Signal Processor;DSP)當作煞車系統控制器;另外,利用xPC

Target提供一個即裝即用的虛擬目標模擬環境，以即時模擬彈射椅之硬體機構，

進行即時模擬與分析。xPC Target能夠運用一般的PC作為即時模擬環境(real-time

targets)，它的即時多工核心能夠與 Real—Time Workshop完全地整合，使其能夠

在 PC上準確地執行即時程式碼。

1.2研究方法及步驟

本研究中我們首先將煞車控制系統和彈射椅硬體機構利用 Matlab-Simulink

作電腦模擬。利用Matlab-Simulink的好處是可以在電腦上建構所需的控制系統，

電腦模擬能有效且快速的完成整個煞車系統的設計，並進行性能驗證。該目

2

標是希望控制器能夠在座椅高速彈射情況下，提供有效的煞車致動命令以保證座

椅能在有限距離內完全煞停。本研究擬參考車輛防鎖死煞車控制之原理[5,6]，

提出兩種煞車控制系統設計，一為模糊電磁開關碟式煞車，二為模糊漸進蝶式煞

車。

因為 DSP 處理器晶片，執行速度較快，整體效能佳，可達成真正的及時運

作（real-time operation）且適用於高等控制技巧，容易增加附屬功能。本研究使

用數位信號處理器(Digital Signal Processor;DSP)當作煞車系統的控制器，加上晶

片內部設計適用在數位訊號處理方面運用，所以適合複雜的控制器設計，而 xPC

Target 目標模擬器因為具有訊號擷取與追蹤，即時監控，可同時監控多項參數

值，並具有即時操作的效果，以及可遠距離監控，所以適合用於模擬彈射椅之硬

體模擬機構。

3

第二章理論探討

2.1模糊控制

本研究採用模糊控制法則來執行彈射椅煞車控制，模糊控制(Fuzzy control)

是最近幾年來崛起的一項控制理論。由於它具備不依受控制系統的數學模型之特

性，僅需根據人的操作經驗、知識與控制法則推論，即可決定控制命令的優點。

因此，引起大家研究的興趣，而受到廣泛的運用。在日常生活中出現不少的應用

例子，如 Fuzzy洗衣機、車子的 Fuzzy自動變速箱、Fuzzy冷氣機等等[7,8]。因

為傳統控制系統的設計方式，首先必須先以數學模型來描述受控系統，若考慮的

變數越多，則該系統的數學模式建構就不容易;但是對於模糊控制來說，是以系

統的操作法則來代替數學模式描述，也是一種以經驗法則與常識判斷來進行控制

的機制。

模糊控制系統具備下列特點:

(1)簡化系統設計的複雜性，特別適用於非線性、時變、模型不完全的系統上。

(2)利用控制法則來描述系統的變數間的關係。

(3)不用數值而用語言式的模糊變數來描述系統，模糊控制器不必對被控制對象

建立完種的數學模式。

(4)模糊控制器是一語言控制器。

(5)模糊控制器是一種容易控制、掌握的較理想的非線性控制器，具有較佳的適

應性及強健性( Robustness)。

2.2 模糊控制器的設計方法

Fuzzy控制器是由好幾個 Fuzzy控制法則的集合和 Fuzzy推論部分構成的。

假設控制對象(Plant)在控制上所需的狀態資料為 1X 、 2X ，而輸出為 y，則 if(前

件部) then (後件部)，控制法則的前件部變數 1X 、 2X 稱為 Fuzzy 控制器的輸

4

入，後件部變數 y稱為輸出。在 Fuzzy推論部，當得到實際的輸入時，使用可

能的控制法則進行推論，以計算輸出。Fuzzy邏輯乃建立在人類經驗基礎上，

人們駕駛汽車並非經由精密的數學計算來控制車子行進，而是建立在直覺和經

驗上，藉由經驗和直覺作出控制指令，這種控制方式可以看成一種決策規則，

使用電腦語言表達成條件及所需的決策規則，根據經驗法則設計一模糊控制器

代替人類對複雜受控系統進行控制。模糊控制器的基本架構如圖 2.1所示。

圖 2.1 模糊控制器基本架構

2.3彈射機構動態分析

本研究考慮傾角10-80度之滑軌，彈射座椅荷重100KG且以10G之加速度

彈出之情況以此機構模擬真實戰機不同的彈射角度。於此機構下希望設計控制器

能夠在座椅高速彈射情況下，提供有效的煞車致動命令以保證座椅能在有限距離

內完全煞停，煞車控制系統須在0.4至1秒的瞬間立即煞車停住。考慮運用目前

國內服役中的 F-16，F-5E，IDF等高速戰鬥機座椅彈射系統，圖2.2所示之彈射

模擬機構，令 y代表座椅在滑軌座標上的即時位置，其追蹤位差為

( ) ( )fe t y y t= − (2.1)

追蹤誤差變化率為

( ) ( )e t y t= − (2.2)

滑軌傾角為θ，座椅及荷重為 m， (0)y 為座椅彈射瞬間之初始加速度。

5

洩壓點

1 m

7 m

ｆｙ＝８終點

gkM 100=

Gy 10)0( =

θ

圖 2.2 彈射模擬機構

圖 2.3所示為氣壓彈射命令，彈射椅射出時之初始加速度為 10G，y=1 m時

為氣壓瓶洩壓點，彈射椅過此洩壓點後便開始煞車，至 y=8 m 亦即ｆｙ時，彈座

椅必須完全煞停。

10G

8(m)

y0 1

圖2.3 氣壓彈射命令

6

彈射機構之合力分析示如圖2.4，考慮摩擦力後，其力平衡方程式為

cos sinactF mg mg maµ θ θ− − = (2.3)

亦即

cos sinactF ma mg mgµ θ θ= + + (2.4)

其中 actF 為致動力，a y= 為加速度，µ為滑軌與座椅間之摩擦係數，g為重力加

速度。

θ

actF

a

θµ cosmg

θsinmg

圖2.4 彈射機構之合力分析

2.4 彈射椅模糊煞車控制

為了在追蹤高速度彈射座椅的同時，亦能提供有效的煞車控制以保證彈射

座椅在有限距離內煞車停住，擬定兩種不同控制方法與策略，其一為電磁開關碟

式煞車系統，將煞車全程劃分三個階段，每階段依模糊推論機制產生電磁閥開關

命令以控制液壓致動器。另一控制策略則是漸進碟式煞車，也就是煞車全程之液

壓煞車力採漸進式遞增或遞減。此外我們希望座椅彈射後 1 秒內，監控其於 1

米時之速度及時間，其後７米則採閉迴路減速煞車定位。

1.電磁開關碟式煞車

本計畫擬用兩種類型之彈射椅煞車控制設計。對於選用電磁開關碟式煞車之

機制，我們擬提出兩種控制律，其一為以模糊邏輯理論[9,10]為基礎之控制律，

它使用彈射椅即時位置與終點間之誤差及誤差變化率直接推論煞車機構之電磁

7

閥的開關命令；其二採用脈寬調制方式[11-15] (pulse width modulation；PWM)

之模糊控制律電磁閥的開關週期正比於誤差及誤差變化率，達到快速、平穩煞住

彈射椅，又避免彈射椅鎖死的現象。

(i)模糊邏輯控制

此法由模糊推論應用之類比煞車命令被調制，使實際電磁閥啟動之時間正比

於煞車命令之大小，如此可以使得煞車效果較平順而且不失即時煞車的效果。模

糊邏輯控制系統如圖2.5所示，首先以彈射椅即時位置與終點間之誤差比率作為

系統輸入，經過模糊推論後，產生電磁閥開關命令，透過電磁閥驅動液壓缸，經

電磁閥延遲，產生煞車力 (brake force)，該力乘上力矩常數 fK 得到作用於煞車

碟之摩擦力矩 (brake torque)，與驅動輪之轉向力矩相減，除以驅動輪慣量(I )，

積分而得輪子速度﹔該轉速積分乘上輪子半徑 rR ，得到即時位置。此方法的優

點是可以快速地控制其煞車壓力，使彈射椅在預定的時間內在彈射軌道上煞住。

du/dt

Fuzzy LogicInfering Mechanism fk

I1

s1

s1

e

ee+

− Solenoiddelay

hydrauliclag

brakepressure

braketorque

bT

wT

+

− w w1+sT

k

h

du/dt du/dt ++

+m

s1

rR

rR

wheeltorque

wheelaccelation

wheelspeed

actF

θsinmg

θµcosmg

y

fy

圖2.5 Fuzzy彈射

8

(ii)脈寬調制模糊控制

脈寬調制模糊(Fuzzy-PWM)控制律如圖 2.6 所示，其模糊邏輯推論機制根

據追蹤誤差及誤差變化率推論類比式之控制命令(亦即大小值而非二值化命

令)，控制命令設計之目標是使得彈射椅與終點之誤差在最快速且平穩的狀態下

遞減為零。模糊推論之控制命令經脈寬調制後產生一序列之開關命令，其中啟動

電磁閥之工作週期(duty cycle)正比於控制命令的大小，如圖 2.7 所示，依此方

式可使彈射椅的煞車狀態更為平穩。

du/dt

Fuzzy LogicInfering Mechanism I

1s1

s1

e

ee+

− Solenoiddelay

hydrauliclag

brakepressure

braketorque

bT

wT+

− w w

du/dt du/dt ++

+m

s1

rR

rR

wheeltorque

wheelaccelation

wheelspeed

actF

θsinmg

θµ cosmg

1+sTk

hfkPWM

y

fy

圖2.6 Fuzzy-PWM彈射椅煞車控制系統

圖2.7 電磁閥驅動訊號與載波及控制訊號之關係

如圖2.8所示，為了確保彈射椅能夠在一秒內完全煞停，將煞車全程劃分三

個階段。第一階段為快速致動，此階段的煞車力必須最大，目的是防止彈射椅在

9

一秒內無法煞住。第二階段為拖曳，煞車力只行瞬間微調，目的是確保彈射椅滑

動時的穩定性同時防止彈射椅在未達到終點 fy 就停止不動。第三階段為終端致

動，也就是在 fy 時就必須強制座椅完全停止。圖 2.8 為電磁開關碟式煞車控制

系統方塊圖

e

t tft2 t10

快速致動拖曳終端致動

圖2.8、控制器採三階段煞車控制

圖2.9、電磁開關碟式煞車控制系統

10

為了可以判斷出電磁開關碟式煞車時間，所以必須加入一模糊控制器 1sF ，

此模糊控制器的功用在於，可以在三個不同追蹤誤差的範圍下，在該誤差範圍時

做出適當的時段判斷。另一模糊控制器 2sF 的功用在於推論分屬三個階段的控制

命令。

圖 2.10 脈寬調制機制

圖 2.11 彈射椅之摩擦力模式

圖 2.12 增壓模式

11

圖 2.13 減壓模式

為有效控制彈射椅煞車系統，模糊控制器法則必須推論最佳控制命令，以達

到最好的煞車效果。此煞車控制器是根據前一狀態之追蹤誤差與追蹤誤差變化率

等參數來判斷出該時間最適合之控制命令，做為電磁閥之開關命令，再透過電磁

閥驅動液壓缸，經液壓延遲，產生煞車力。

彈射椅電磁開關碟式煞車控制系統之追蹤誤差分為"零 Z"、"小 S"、"中M"、

"大 L"四種模式，其對應之模糊隸屬函數如圖 2.14所示。

圖 2.14 追蹤誤差之隸屬函數

追蹤誤差變化率也分為"零 Z"、"負小 SN"、"負小MN"、"負大 LN"四種模式，

其模糊隸屬函數如圖 2.15所示。

12

圖 2.15 追蹤誤差變化率之隸屬函數

三段式時間判斷分為 phase1、phase2、phase3三種模式，其模糊隸屬函數如

圖 2.16所示。

圖 2.16 三段式時間判斷之隸屬函數

13

同時令電磁閥開關命令之模糊隸屬函數如圖 2.17所示。

圖 2.17 電磁開關碟式煞車控制命令之隸屬函數

(1) Phase1

Phase1為快速致動區，所以當追蹤位置最大時，就給予最大煞車力，隨著追

蹤位置越來越小，所給予的煞車力也越小。這就是模糊控制器 2sF 在 Phase1的機

制。一些模糊法則描述如下：

1.If e is L and e is MN and Time is Phase1 then output is L

2.If e is M and e is MN and Time is Phase1 then output is L

3.If e is S and e is MN and Time is Phase1 then output is S

4.If e is Z and e is MN and Time is Phase1 then output is S

(2) Phase2

Phase2為拖曳區，煞車力只行瞬間微調，所以煞車力大致上處於不變或遞減

的趨勢。一些模糊法則可描述如下：

1. If e is L and e is MN and Time is Phase2 then output is L

2. If e is M and e is MN and Time is Phase2 then output is S

3. If e is S and e is MN and Time is Phase2 then output is S

14

4. If e is Z and e is MN and Time is Phase2 then output is S

(3) Phase3

Phase3為終端致動，必須強制座椅完全停止，所以在終端時給予最大煞車

力，一些模糊法則可描述如下：

1. If e is L and e is MN and Time is Phase3 then output is S

2. If e is M and e is MN and Time is Phase3 then output is S

3. If e is S and e is MN and Time is Phase3 then output is L

4. If e is Z and e is MN and Time is Phase3 then output is L

經由追蹤誤差、追蹤誤差變化率以及三段式時間判斷之後，便可得到一控制

命令，做為之後電磁閥之開關命令。

模糊控制器 2sF 三個不同階段下之模糊規則綜整如表 2.1。

表2.1 電磁開關碟式煞車模糊控制器之規則

e U Z S M L Z S L L L SN S S L L MN S S L L

e

LN S S S L

Phase 1

e

U Z S M L Z S L L L SN S S L L MN S S S L

e

LN S S S S

Phase 2

15

e

U Z S M L Z L L L L SN L L L S MN L L S S

e

LN L S S S

Phase 3

2.漸進蝶式煞車

第二種控制策略為漸進蝶式煞車，其優點是彈射椅本身會以較平穩方式煞

停，因為其煞車方式是煞車力呈漸進式的增加或減少。圖 2.18 所示為漸進蝶式

煞車控制系統模擬方塊圖。

圖 2.18 漸進蝶式煞車控制器

為有效控制漸進蝶式煞車系統，模糊控制器法則必須推論漸進式之控制命

令，以達到最好的煞車效果。

為了用模糊控制器達到漸進式煞車的效果，所以除了配合前面所敘述之模糊

控制器 1sF ，再制定其控制命令。漸進蝶式煞車模糊控制器 2lF 之機制為漸進式遞

增，也就是追蹤誤差越小，其類比式控制命令越大。模糊隸屬函數如圖 2.19 所

示。

16

圖 2.19 漸進碟式煞車控制命令之隸屬函數

漸進碟式煞車模糊控制器在三個不同階段之模糊規則，其中模糊集合定義如

下：

Z: Zero； PS1，Positive Small1；PS2，Positive Small2；PS3，Positive Small3；

PM1，Positive Medium1；PM2，Positive Medium2；PM3，Positive Medium3；PM4，

Positive Medium4；PB1，Positive Big1；PB2，Positive Big2；PB3，Positive Big；

S， Small；M， Medium；L， Large；SN， Small Negative；MN， Medium Negative；

LN，Large Negative。

表2.2 漸進碟式煞車模糊控制器之模糊規則

e U Z S M L Z PS3 PS2 PS1 Z SN PS3 PS2 PS1 Z MN PS3 PS2 PS1 Z

e

LN PS3 PS2 PS1 Z

Phase 1

17

e

U Z S M L Z PM4 PM3 PM2 PM1 SN PM4 PM3 PM2 PM1 MN PM4 PM3 PM2 PM1

e

LN PM4 PM3 PM2 PM1

Phase 2

e

U Z S M L Z PB3 PB3 PB2 PB1 SN PB3 PB3 PB2 PB1 MN PB3 PB3 PB2 PB1

e

LN PB3 PB3 PB2 PB1

Phase 3

2.5模擬結果與分析

參考圖 2.1，氣壓瓶洩壓點約為滑軌 1m處，故如以 10G加速度至 1m處，

其初速度與時間為：

21 1

12

S a t= (2.5)

1 12 / (2 1) /10 9.8 1/ 7(sec)t S a= = × × = (2.6)

1 1 12 14( / sec)v a S m= = (2.7)

彈射機構可以藉著改變滑軌傾角θ，來針對不同的戰機進行彈射模擬，例如 IDF

(θ=34°)、幻象(θ=27°)、AT3(θ=13°)等戰機。如此一來，就可以達到訓練各種飛機

駕駛員的效果。以下就針對不同的彈射角度分別以 Fuzzy 電磁開關碟式煞車、

Fuzzy-PWM電磁開關碟式煞車和漸進碟式煞車來進行分析與模擬。

18

首先示出AT3(θ=13°)戰機彈射椅煞車控制之控制訊號。圖2.22所示為Fuzzy

電磁開關碟式煞車控制訊號。圖 2.20~2.23 分別為 Fuzzy-PWM 電磁開關碟式煞

車方式之模糊推論命令、PWM載波和調制後之電磁開關碟式煞車控制命令。模

糊推論之控制命令經脈寬調制後產生一序列之開關命令，其中啟動電磁閥之工作

週期正比於控制命令的大小。

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

-1

-0.5

0

0.5

1

time(sec)

com

man

d

圖 2.20 Fuzzy電磁開關碟式煞車控制訊號

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

time(sec)

fuzz

y co

mm

and

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

time(sec)

toot

h

圖 2.21 模糊推論命令圖 2.22 PWM載波

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

time(sec)

com

man

d

圖 2.23 Fuzzy-PWM電磁開關碟式煞車控制命令

19

圖 2.24所示為漸進碟式煞車控制訊號。此訊號正比於誤差訊號大小。

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

time(sec)

com

man

d

圖 2.24 漸進碟式煞車系統之控制命令

以下針對 IDF (θ=34°)、幻象(θ=27°)、AT3(θ=13°)等戰機進行彈射椅位置誤

差進行分析。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

1

2

3

4

5

6

7

8

time(sec)

posi

tion(

m)

圖 2.25 Fuzzy電磁開關碟式煞車之彈射椅位置

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

time(s)

position(m)

圖 2.26 Fuzzy-PWM電磁開關碟式煞車之彈射椅位置

20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

1

2

3

4

5

6

7

8

time(s)position(m)

圖 2.27 漸進碟式煞車系統之彈射椅位置

圖 2.25~2.27所示係模擬AT3教練機彈射椅在三種不同煞車機制下的即時位

置，其中滑軌傾角為θ =13°，彈射初速 (0) 14( / sec)v m= 。

圖 2.28及 2.29中可以明顯看出，第一階段快速致動時，彈射速度明顯快速

下降。到第二階段拖曳區時，彈射速度不變或者緩緩下降。第三階段終端致動，

彈射椅被限制在一秒內強制煞停，二者煞停時間約 0.83秒。圖 3.30中，彈射速

度呈漸進式平穩的遞減，直到彈射椅停止。煞車時間約 0.835秒。由此三圖比較

可知，就煞車效率而言，電磁開關碟式煞車系統要比漸進碟式煞車系統稍佳，但

是就彈射機構穩定性而言，漸進碟式煞車系統則比電磁開關碟式煞車系統來得

好。原因在於電磁開關碟式煞車系統在第一階段快速致動時，可能會造成彈設機

構的晃動，可能也會造成駕駛人員的身體不適，可說是各有優缺點。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

2

4

6

8

10

12

time(sec)

spee

d(m

/s)

0.809 0.81 0.811 0.812 0.813 0.814 0.815 0.816 0.817 0.818-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

time(sec)

spee

d(m

/s)

圖 2.28 Fuzzy電磁開關碟式煞車之彈射椅速度(及放大圖)

21

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

2

4

6

8

10

12

time(s)

speed (m/s)

0.8275 0.828 0.8285 0.829 0.8295 0.83

-5

0

5

10

15

x 10-3

speed (m/s)

time(s)

圖 2.29 Fuzzy-PWM電磁開關碟式煞車之彈射椅速度(及放大圖)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

2

4

6

8

10

12

time(s)

speed (m/s)

0.831 0.832 0.833 0.834 0.835 0.836 0.837 0.838 0.839

-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

speed (m/s)

time(s)

圖 2.30 漸進碟式煞車系統之彈射椅速度(及放大圖)

圖2.31~2.33所示係模擬AT3教練機彈射椅在三種不同煞車機制下煞車系統

產生之煞車力。由圖 2.33可知，第一階段快速致動時，煞車力明顯快速增加。

到第二階段拖曳區時，煞車力稍微下降。第三階段終端致動，由於被限制在一秒

內強制煞停，所以煞車力再度快速增加。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.5

1

1.5

2

2.5x 105

time(sec)

brak

e fo

rce(

Nt)

圖 2.31 Fuzzy電磁開關碟式煞車之煞車力

22

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

5

time(s)brake force (Nt.m)

圖 2.32 Fuzzy-PWM電磁開關碟式煞車之煞車力

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

2

4

6

8

10

12x 10

4

time(s)

brake force (Nt.m)

圖 2.33 漸進碟式系統之煞車力

圖 2.34~2.36 所示係模擬幻象戰機彈射椅在三種不同煞車機制下的即時位


0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

1

2

3

4

5

6

7

8

time(sec)

posi

tion(

m)


23

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

position(m)

time(s)


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

time(s)

position(m)

圖 2.36 漸進碟式煞車系統之彈射椅位置

圖 2.39~2.41所示係彈射椅在三種不同煞車機制下的彈射椅速度。由模擬結

果得知，Fuzzy電磁開關碟式煞車之時間約為 0.814秒，Fuzzy-PWM電磁開關碟

式煞車之煞車時間約為 0.829秒，漸進碟式煞車時間約為 0.837秒。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

2

4

6

8

10

12

0.812 0.8125 0.813 0.8135 0.814 0.8145 0.815 0.8155 0.816

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

time(sec)

spee

d(m

/s)


24

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

2

4

6

8

10

12

speed (m/s)

time(s)0.8275 0.828 0.8285 0.829 0.8295 0.83

-5

0

5

10

15

x 10-3

speed (m/s)

time(s)


speed (m/s)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

2

4

6

8

10

12

time(s)

speed (m/s)

speed (m/s)

0.832 0.833 0.834 0.835 0.836 0.837 0.838 0.839-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

x 10-3

time(s)

speed (m/s)

0.832 0.833 0.834 0.835 0.836 0.837 0.838 0.839-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

x 10-3

speed (m/s)

time(s)


圖 2.40~2.42所示係模擬幻象戰機彈射椅在三種不同煞車機制下煞車系統產

生之煞車力。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.5

1

1.5

2

2.5x 105

time(sec)

brak

e fo

rce(

Nt)


25

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

5



0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

2

4

6

8

10

12x 10

4

time(s)

brake force (Nt.m)

圖 2.42 漸進碟式煞車系統之煞車力

圖 2.43~2.45 所示係模擬 IDF 戰機彈射椅在三種不同煞車機制下的即時位


0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

1

2

3

4

5

6

7

8

time(sec)

posi

tion(

m)


26

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

time(s)position(m)


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

position(m)

time(s)

圖 2.45 漸進碟式煞車系統之之彈射椅位置

圖 2.46~2.48所示係彈射椅在三種不同煞車機制下的彈射椅速度。由模擬結果

得知，Fuzzy電磁開關碟式煞車之時間約為 0.815秒，Fuzzy-PWM電磁開關碟式

煞車之煞車時間約為 0.83秒，漸進碟式煞車時間約為 0.838秒。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

2

4

6

8

10

12

0.81 0.811 0.812 0.813 0.814 0.815 0.816 0.817 0.818-0.3

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

time(sec)

spee

d(m

/s)


27

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

2

4

6

8

10

12

speed (m/s)

time(s)0.8 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

speed (m/s)

time(s)


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

2

4

6

8

10

12

speed (m/s)

time(s)0.836 0.8365 0.837 0.8375 0.838 0.8385 0.839 0.8395

0

0.5

1

1.5

2

2.5

x 10-3

speed (m/s)

time(s)


圖 2.49~2.51所示所示係模擬 IDF戰機彈射椅在三種不同煞車機制下煞車系

統產生之煞車力。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.5

1

1.5

2

2.5x 105

time(sec)

brak

e fo

rce(

Nt)


28

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

5



0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

2

4

6

8

10

12x 10

4

time(s)

brake force (Nt.m)

圖 2.51 漸進碟式系統之煞車力

29

第三章即時模擬平台之建構

上一章，我們運用兩種不同的煞車系統，分別為電磁開關碟式煞車與漸進碟

式煞車系統，並在Matlab-Simulink下進行電腦模擬，比較兩者之間的優點與缺

點，並且考慮多種不同戰機彈射角度的控制性能表現。本章將詳細地介紹彈射椅

硬體模擬的部分，並說明如何我們如何著手設計模擬彈射椅硬體環境。

3.1即時電腦於迴路模擬

針對彈射椅煞車控制系統之即時模擬，我們預定以一數位訊號處理器

( Digital Signal Processor; DSP)實現彈射椅煞車控制器，而以一xPC Target

目標模擬器模擬彈射椅之硬體機構，二者間藉由個別之 A/D及 D/A介面傳遞數

位與類比訊號。

將設計完成的彈射椅控制器於MATLAB-SIMULINK-Real Time Workshop操

作環境下實現，並且結合 DSP數位訊號處理器進行即時煞車控制器模擬；另外，

利用 xPC Target提供一個即裝即用的虛擬目標模擬環境，以模擬彈射椅的動態特

性。xPC Target能夠運用一般的 PC作為即時模擬環境(Real-Time Targets)，它的

即時多工核心能夠與 Real-Time Workshop完全地整合，使其能夠在 PC上準確地

執行即時程式碼。研究過程中運用 TMS320C DSP晶片以 SIMULINK的方式做

為控制器的設計。輸出為類比電壓，傳送至 xPC-Target，再經過回授傳送至 DSP

的晶版，形成閉迴路控制系統。

主控電腦連結 DSP，主要是用來模擬 DSP 控制器。而受控電腦連結 xPC

Target，主要是用來模擬彈射椅動態特性。當控制電路開始執行時，主控電腦會

經由 xPC Target介面板傳輸控制訊號到受控電腦，而受控電腦也會經由介面板傳

輸回授訊號到主控電腦，主控電腦的控制器會根據受控電腦的資訊作出立即修

正，可幫助整個控制電路達到最佳的控制效果。彈射椅煞車控制系統之即時模

擬，系統架構如圖 3.1所示

30

du/dt Mux+-

1

+

-

1

-1

DSP-Control board

三段式煞車模糊控制器

模糊控制器訊號產生器

主控電腦

e

y

fy

y

u

+-

s1

pi In1 Out1

pi In1 Out1

Kf 1/ls1

s1

介

面

板

du/dt du/dt

增壓模式

降壓模式

In1

Out1

Out2

Out3

+++

Rr

Rr

xPC-Target受控電腦

彈射椅之摩擦力

ω ω

actF

bT

aT

Ts+11

u

y a

控制信號

回授信號

彈射椅控制器彈射椅動態模擬系統

圖3.1彈射椅—電腦於迴路之即時模擬整合系統

以下章節中將分別以 xPC Target 即時目標模擬器與 (Digital Signal

Processor; DSP)數位訊號控制器分別加以說明。

3.2 xPC Target即時目標模擬器

xPC Target是一種即時運算核心軟體[16]，主要的功能是可以作即時模擬硬

體迴路的工作，且使用 xPC Target只需要兩部電腦（分為主控電腦與受控電腦）

和一個 C/C++編譯器，而它可以藉由 RS232 或是乙太網路連結 MATLAB、

Simulink 、 Real-Time Workshop 之設計環境，使 PC 作為一虛擬之

Hardware-in-the-loop 快速原型化目標硬體平台，以取代真實目標硬體的功能。

xPC Target 的即時多工核心能夠與 Real-Time Workshop 完全整合；在本此研究

中，我們利用 xPC Target 之快速原型化目標硬體平台之功能結合 PC2 裡

MATLAB-Simulink 所架構之硬體迴路來取代真實目標硬體，並利用 C 程式碼產

生器進行編譯之動作，不需要自己作繁雜的編譯工作。

硬體環境包括主控電腦、受控電腦、受控電腦的介面板，除此之外，還有兩

台電腦之間網路傳輸所需的配備。主控電腦所必須的配備為 Windows95 以上，

另外還要一張空白片作為受控電腦的開機片，以及乙太網路卡或者 RS232 來連

結主控電腦和受控電腦。受控電腦則不需另外安裝任何硬體，只要安裝xPC Target

31

所附的乙太網路轉接卡即可。

主控電腦與受控電腦之連結必須透過RS232或者 TCP/IP，兩者的差別在於

資料傳輸速率，用 RS232傳輸的速率是每秒 115kBaud，如果使用 TCP/IP則可達

到每秒 10Mbit。此外 xPC Target也有支援許多 I/O介面卡，用來連接真實世界的

硬體，這些介面卡包括 ISA、PCI、PC/104和 Compact PCI等硬體。

xPC Target之優點如下：

(1). 訊號擷取與追蹤：

當即時系統正在執行或執行完畢之後，主控電腦可以下載受控電腦上的資

料，也可以製為圖形以便分析所得到的資料。

(2). 即時監控：

可同時監控多項參數值，並具有即時操作的效果。

(3). 可遠距離監控：

使用TCP/IP 當主控電腦與受控電腦的傳輸工具可以做遠距離的監控，具有

很大的發展空間。

(4) 獨立之作業環境:

電腦在DOS環境下獨立運作，不虛另外安裝Windows及Matlab

xPC Target 之編號為 6024E，其技術規格如下：

類比輸入（Analog Input）

◆ 16 single-ended 8 differential channels

◆ 200kS/s Sampling rate

◆ 12-bit resolution

◆ 10± V input voltage range

類比輸出（Analog Output）

◆ 2 channels 12-bit resolution

32

◆ 10± V output voltage range

數位輸入 /輸出（Digital I/O）

◆ 8 (5V/VLL) lines

◆ 2 up/down 24-bit counter

圖 3.2 xPC Target介面板

3.3 xPC Target的設定

安裝完xPC Target之後，首先要做的工作就是設定兩台電腦連線。本研究中

所使用的方法為 TCP/IP，其優點為有較高的傳輸速率，並且兩台電腦的傳送距

離較遠。首先在Matlab視窗下鍵入指令 xpcsetup，就會出現如圖 3.3的設定視窗。

33

圖3.3 xpcsetup之視窗

在設定 xPC Target比較需要注意的部分如下:

1.CCompiler:可選擇VisualC或Watcom。

2.CCompilerPath:Compiler的路徑，也就是安裝 VisualC的地方。

3.HostTargetComm:可選擇TCP/IP或 RS232，本專題所採用的是 TCP/IP。

4.TcpIPTargetAddress:受控電腦的IP位址。

5.IpSubNetMask:子網路遮罩。

6.TcpIpGateway:通訊閘。

設定完畢之後，先製作受控電腦的開機片，在 xpcsetup的視窗下點選

Update，然後選 BootDisk，便開始製作受控電腦的開機片。

將製作完的開機片放入受控電腦的軟碟槽，然後開機，為了確定兩台電腦有

確實的連線，必須至Matlab的視窗下鍵入指令 xpctest，此時電腦會開始測試兩

台電腦是否連線，假如連線成功，螢幕中的 Test1到 Test8都會出現 OK，如果出

34

現 Fail，代表連線失敗;必須回xpcsetup重新設定，或者檢查網路是否接好。如

果成功後螢幕會出現如圖 3.4。

圖 3.4 xPC Target連線成功

兩台電腦連線之後便可以開始建立 model，建立 model之前必須先設定模擬

參數。首先呼叫所要建立的 model、到 Simulation中的選項點選 Parameters便會

出現視窗。需要設定的兩個步驟如下:

1. Real-Time Workshop:即時模擬參數之設定，在Browse下點選

xpctarget.tlc。

2. Solver:模擬運算設定，特別需要注意的是Type一定要選 Fixed-step，才

可進行即時模擬。

設定完模擬運算與即時模擬參數之後就可以開始建立 model，到即時模擬參

數設定的視窗點選 Build。建立完 model之後，受控電腦會出現一連串的資料，

如 model的名稱、SampleTime、model停止的時間、使用模式、狀態是停止或正

在進行、這些資料將由主控電腦經 TCP/IP下載到受控電腦。此時主控電腦已經

可以下指令給受控電腦，可在受控電腦看到及時模擬的波形，依序在MATLAB

35

視窗下打出下列指令。

1. sc1=addscope(tg,’target’,1)或者 addscope(tg,’target’,1)

sc1=getscope(tg,1)

這個指令的意思是先把示波器顯示在受控電腦的螢幕，並取名為 sc1。此時受

控電腦會出現一個示波器。

2. tg.ShowSignals=’on’，主控電腦會出現許多訊號的編號。

3. addsignal(sc1，n)，n是步驟 2的編號。先顯示出輪速，所以輸入 addsignal(sc1，

0)的指令。

4. +sc1，代表開啟 sc1示波器。

5. +tg，開始執行 xPC Target。

如果想在一個示波器下同時顯示出輪速、車速、煞車距離三種訊號可在第三

步驟時鍵入 addsignal(sc1，[0，3，4])，於受控電腦顯示視窗。只要依照上述五

個步驟去執行，就可以在受控電腦上建立多個示波器，並同時監控彈射椅速度、

輪子速度、煞車距離等多項訊號，而達到即時修改煞車器缺點的效果。假如受控

電腦顯示的波形不容易觀察，可藉由主控電腦下指令調取樣時間來改善，只要在

MATLAB視窗下鍵入指令 tg.SampleTime=0.0025，則取樣時間將會改變到 0.0025

秒。同理，也可以用 tg.StopTime=25的指令來調整 model的停止時間。受控電腦

在執行完畢之後，也可把結果傳回主控電腦，在主控電腦MATLAB視窗下鍵入

set(tg,’ShowParameters’,’on’)，所有的數值將傳回主控電腦，方便用來比較並修改

控制器的缺點。

36

3.4 xPC Target A/D與 D/A的測試

模擬彈射椅硬體環境，我們是使用 xPC Target 6024E，其訊號之輸入接腳及

輸出接腳如圖 3.5所示。xPC Target的 A/D類比訊號轉換成數位訊號，我們使用

1(接地)、3接腳;另外D/A數位訊號轉換成類比訊號是使用 20、23(接地)接腳。

在開始建立彈射椅硬體環境模擬前，我們必須先對 xPC Target作 A/D與 D/A的

測試

圖 3.5 xPC Target 6024E接腳圖

37

首先檢驗，當我們輸出一個直流電壓 3V是否在受控電腦中得到我們所預期

的數值，測試的結果如圖 3.6所示。因為本身 xPC Target工作環境為純 DOS系

統，所以在受控電腦螢幕中沒有座標可以立即顯示數值，只能在主控電腦中利用

xPCscope指令讀出。

圖 3.6 xPC Target的 A/D測試結果

我們已經驗證 xPC Target的 A/D工作正常，接下來再測試 xPC Target的 D/A

方面，首先在主控電腦Matlab-Simulink裡我們建立一個 model輸出為 2.5V振幅

1.5V，設定的 model如圖 3.7所示。

圖 3.7 主控端 D/A測試 model

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圖 3.8 xPC Target的 D/A測試結果

由這些測試的結果我們可以得知，A/D輸入 3V檢驗的結果也是接近 3V，

雖然有些許誤差，但誤差的範圍並不大。D/A這方面輸入一個 sin波，用示波器

量出來的波形，跟我們設定的 model是一樣的。所以經由這些測試我們可以得

知，xPC Target 6024E A/D與 D/A工作正常。接下來開始建立彈射椅硬體環境

的 model。

3.5 彈射椅硬體環境的建立:

主控電腦系統使用的是Matlab-Simulink，利用Matlab-Simulin所架構之硬體

迴路來取代真實目標硬體，並利用C程式碼產生器進行編譯之動作。以彈射椅即

時位置與終點間之誤差比率作為系統輸入，經過模糊推論後，產生電磁閥開關命

令，此開關命令即為彈射椅之控制命令。之後透過電磁閥驅動液壓缸，經電磁閥

延遲，產生煞車力 (brake force)，該力乘上力矩常數 Kf 得到作用於煞車碟之摩

擦力矩 (brake torque)，與驅動輪之轉向力矩相減，除以驅動輪慣量(I)，積分而

得彈射椅之輪速﹔再經過積分乘上 Rr 就得到即時位置。此迴路就是彈射椅的動

態硬體迴路，如圖 3.9所示。

39

圖 3.9 彈射椅的動態硬體迴路

控制訊號經由 TCP/IP傳輸到受控電腦，受控電腦經由 xPC Target介面板接

收訊號後，可以即時進行監控整個硬體迴路，也就是彈射機構的輪速、位置和煞

車力矩。由於煞車力矩受控制訊號影響，彈設機構開始減速，受控電腦此時經由

xPC Target介面板傳輸回授訊號回主控電腦，此回授訊號就是彈設機構之即時位

置，控制器根據位移之誤差值修正，再把控制訊號傳到受控電腦，如此不斷的循

環，直到位移誤差等於零為止。這樣就完成彈射倚硬體環境模擬的部分，接下來

開始設計彈射倚煞車控制器的模擬部分。

40

第四章 DSP模擬煞車控制器

上一章中，我們介紹模擬彈射椅硬體環境部分，硬體環境由xPC Target負責

而煞車控制器是由數位訊號控制器 DSP 來模擬。在這一章中，我們將繼續探討

如何使用 DSP 模擬彈射椅煞車控制器，剛開始會簡單的說明有關本研究所要使

用的數位控制器它的優點，並介紹實驗中所使用 DSP 數位控制器的規格以及如

何編寫程式。

4.1 DSP數位訊號處理器:

數位訊號處理器已經廣泛應用於聲頻、通訊及控制等周遭生活領域中。如同

一般傳統的微處理機(microprocessor )一樣，不管其內部處理過程是如何，其輸

入輸出都是數位訊號，所以在廣泛的定義上，我們都可稱之為數位訊號處理器。

但目前我們定義一個可以稱為 DSP 的晶片，係指其硬體是經過特殊處理後，是

合作數位訊號經常演算器，柱形位移暫存器 (barrel shift register )等，可在即

時速度處理數位訊號的晶片[17,18]，圖4.1即為一個標準的DSP訊號轉換方塊

圖。

圖4.1 DSP訊號轉換

41

TMS320 DSP以高性能、可靠度、可程式性、及低價格的優勢，使得其應用

非常廣泛。除了在傳統應用上，可以 DSP快速的 FFT和頻譜分析來執行通信資

料和語音處理，使其充分應用在回聲消除、多工、傳碼、速率轉換、電話答錄機、

行動電話、數據機、音響系統、音樂合成、圖形變化以及聲歷聲效果等。而隨著

功能的增進，高整合性。技術成熟以及更低價格，所以新的 TMS320 系列更可

用於高速伺服控制、硬碟機控制、機器人、工業馬達控制、煞車懸吊系統、多媒

體、圖形、三度空間圖形轉換器、語音合成、以及數位電視等等應用上[19-21]。

使用 DSP數位控制器有下列優點：

(1).使用數位零件，系統的飄移性減少。

(2).藉由軟體修正，系統容易升級。

(3).微處理機整合許多功能於晶片內，使得所需外部零件減少，成本亦較低。

4.2硬體環境

我們使用的 DSP是使用 TMS320F24這塊晶片，如圖4.2所示。DSP編寫主

要有兩種方式，一種是利用組合語言，將我們所需求的工作編寫經由組譯後寫入

DSP中。使用組合語言的好處是可以節省 DSP執行的速度及記憶體的空間。但

是要完成一個簡潔且效能強大的程式，就必須要花費一些苦功，以及多多觀摩別

人的應用程式，顯然沒辦法在一朝一夕之間就可以達到的目地。另一種是利用C

語言，從 TMS320F2X開始，DSP高階語言程式發展就有支援了 ANSI(American

National Standards Institute)C語言標準。只要曾經學過 C語言的使用者，就可以

輕易地編寫 DSP程式，用 C語言的好處是節省了開發程式的時間。 DSP程式開

發，我們選用 C語言來進行編譯。

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圖 4.2 TMS320F240 晶片

其 TMS320F240晶片的規格如下:

(1) CPU核心部分(TMS320C240 core CPU):

1. 32-bit central arithmetic logic unit(CALU).

2. 32-bit accumulator.

3. 16-bit×16bit parallel multiplier with a 32-bit product capability.

4. Three scaling shifters

5. Eight 16-bit auxiliary registers with a dedicated arithmetic unit for indirect

addressing of data memory.

(2) 記憶體部分(Memory):

1. 544 words×16bits of on-chip data/program dual-access RAM

2. 16K words×16bits of on-chip program ROM or flash EEPROM

3. 224K words×16bits of maximum addressable memory space

(3) 程序控制部分(Program control):

1. 4-level pipeline operation.

2. 8-level hardware stack.

3. Six external interrupts.

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本研究中使用 Code-Composer套裝軟體來進行開發 DSP程式，採用的是長

高公司所生產的 LH-069 DSP模組，這是以德州儀器公司生產的 TMS320F240

DSP為設計基礎的實驗版，如圖 4.3所示。

圖4.3 LH-069實驗版

TMS320F240為一個16位元定點式DSP，晶片內部已經設計豐富的周邊，

例如:ADC、PWM、QEP、Capture Unit、Counter等，而在實習板上又增加 LCD

面板、鍵盤、DAC、以及 8255等週邊。所以在使用上已經不需要在額外設計電

路來擴充週邊。

4.3 DSP數位控制器 A/D與 D/A的測試

為了確保 DSP能在我們所預期的範圍內工作，我們進行 DSP數位訊號控制

器輸入及輸出測試，首先利用電源供應器輸入 3V直流電壓，經由數位訊號控制

器的 A/D類比數位訊號轉換，將直流類比電壓轉換成數位訊號。程式設計結果

如圖 4.4所示。

44

圖 4.4 DSP數位控制器 A/D測試結果

圖 4.5 DSP數位控制器 A/D測試圖表

接下來我們進行 DSP數位控制器 D/A部分測試，首先設計一程式迴路。變

數從 0計數到 2000，每當計數一次後與 2相除;當餘數為零時電壓輸出為零，當

餘數不為零時電壓輸出 10V，程式設計結果如圖 4.6所示。

45

圖4.6 DSP數位控制器 D/A測試程式

圖4.7 DSP數位控制器 D/A測試結果

由以上DSP數位控制器的 A/D與 D/A測試的結果可以得知，當我們輸入 3V

直流電壓時，從數位控制器中所得到的數值為 2.988563V，誤差範圍極小。而當

我們設計一組類比輸出迴路程式，從示波器的量測中也可以很精確的測量出，當

程式在運作時，電壓0~10V不斷改變直到程式停止。以上測量的結果，可以顯示

出DSP數位訊號控制器如我們預期正常工作。

46

4.4 彈射椅煞車控制器的設計流程:

在開始進行控制器程式設計前，先大概回顧一下整個模擬的流程。利用DSP

數位控制器將我們所要求的煞車控制命令，傳送給 xPC Target的彈射椅硬體環境

來做即時模擬;xPC Target接收煞車控制命令後開始做煞車的動作，並將即時位

置利用D/A訊號回授給 DSP煞車控制器，直到彈射倚之位置從8m彈射到0m為

止。而模擬彈射椅架構如圖4.8所示

圖4.8 模擬彈射椅架構圖

dedt

圖4.9 DSP煞車控制器流程圖

彈射椅煞車控制系統詳細規劃如圖4.9。假設輸入初始值為8m，經由位置回

授訊號 feedback我們可以得到位置誤差變化率 e，FIS1模糊控制判斷此時彈射椅

在三個不同追蹤誤差的那個範圍內。將這三個變數誤差變化率 e，模糊控制

FIS1，以及誤差變化率微分 dedt，這三種不同的變數經由 FIS2模糊控制，來規劃

出彈射椅的控制命令，經由程式換算結果利用 D/A將數位訊號轉換成類比電壓

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輸出至 xPC Target。xPC Target接收控制命令，開始做煞車動作並將彈射椅實際

的位置，利用 D/A數位訊號轉換成類比電壓回授位置到 DSP，直到位置為0m為

止。DSP程式發展流程圖，如圖4.10。

dedt

圖 4.10 程式設計流程

48

完成彈射椅煞車控制器後，即可開始連接 xPC Target即時目標模擬器做實際

的即時模擬，在連接 xPC Target 與 DSP數位訊號處理器前，必須注意接腳必須

要接對，接錯時會因為電壓準位不同，導致儀器內的晶片毀損。在即時模擬時，

也必須要考慮，電壓的輸出是否為可允許接收的範圍，萬一超過可接收的電壓範

圍，也可能導致儀器內的毀損。

圖 4.11 PWM控制訊號

模擬的部分，首先主控電腦送出 PWM控制訊號如圖 4.11所示，經由 DSP

數位訊號處理器運算後，彈射椅開始做減速的動作。在模擬的過程中，彈射椅以

10G之加速度彈出，煞車控制器在座椅高速彈射情況下，提供有效的煞車致動命

令，使座椅能在0-8m距離內完全煞停，煞車控制系統必須在0.4至1秒的瞬間

立即煞車。

49

在這次模擬中為了使彈射椅能在 0-1秒內及時煞停，所以一開始的彈射椅煞

車力為最大，而彈射椅的速度也由剛開始的最大速度減速為 0，圖 4.12~4.14為

模擬 AT3教練機彈射椅，滑軌傾角為θ =13°，彈射初速 (0) 14( / sec)v m= 。

圖 4.12 模擬 AT3教練機彈射椅彈射速度

圖 4.13 模擬 AT3教練機彈射椅彈射椅加速度

圖 4.14 模擬 AT3教練機彈射椅力矩

50

圖 4.15~4.17為模幻象戰機彈射椅，滑軌傾角為θ =27°，彈射初速

(0) 14( / sec)v m= 。

圖 4.15 模擬幻象戰機彈射椅彈射速度

圖 4.16 模擬幻象戰機彈射椅彈射椅加速度

圖 4.17 模擬幻象戰機彈射椅力矩

51

圖 4.18~4.20為模 IDF戰機彈射椅，滑軌傾角為θ =34°，彈射初速

(0) 14( / sec)v m= 。

圖 4.18 模擬 IDF戰機彈射椅彈射速度

圖 4.19 模擬 IDF戰機彈射椅彈射椅加速度

圖 4.20 模擬 IDF戰機彈射椅力矩

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利用 xPC Target目標模擬器與 DSP數位訊號控制器的彈射椅模擬結果，與

電腦中利用Matlab-Simulink模擬的結果作比較，兩者的結果是一樣的。所以可

以看出本研究中所設計的煞車控制系統，可以有效且快速地將彈射椅在高速的情

況下，將彈射椅安全煞停。因為彈射椅環境參數的更改容易，未來更可以針對不

同戰機的彈射椅，設定適合的煞車控制器。

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第五章結論

本研究首先提出兩種煞車控制器，一為電磁開關蝶式煞車系統，二為模糊漸

進蝶式煞車系統;利用Matlab-Simulink將這兩個煞車系統做電腦模擬，並針對不

同戰機彈射椅之角度，例如:IDF( 34θ = )、幻象( 27θ = )A、T3( 13θ = )，分析

找出最合適的煞車系統。由模擬結果得知，就煞車效率而言，電磁開關碟式煞車

系統要比漸進碟式煞車系統稍佳，但是就彈射機構穩定性而言，漸進碟式煞車系

統則比電磁開關碟式煞車系統來得好。原因在於電磁開關碟式煞車系統在第一階

段快速致動時，可能會造成彈設機構的晃動，可能也會造成駕駛人員的身體不

適，可說是各有優缺點。

模擬平台建構方面，主要針對彈射椅煞車控制系統之即時模擬，以一數位訊

號處理器( Digital Signal Processor; DSP)實現彈射椅煞車控制器，而以一xPC

Target 目標模擬器模擬彈射椅之硬體機構，二者間藉由個別之 A/D 及 D/A 介面

傳遞數位及類比訊號。將設計完成的彈射椅控制器於MATLAB-SIMULINK-Real

Time Workshop操作環境下實現，並且結合 DSP數位訊號處理器進行即時煞車控

制器模擬；另外，利用 xPC Target提供一個即裝即用的虛擬目標模擬環境，以及

時模擬彈射椅的動態特性。結合 xPC Target目標模擬器與 DSP數位訊號控制器，

配合高速之個人電腦，完成即時控制的模擬，這種運作模式幫助我們以最快的速

度驗證控制法則，實際測試物體之全部或各個部分之性能，以確保本設計的實用

性，並且可以即時監控硬體上所有的參數，對於控制器的修改方面有著很大的彈

性，可以及早改正設計上之缺點。

54

參考文獻

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56

附錄:

DSP彈射倚煞車控制器主程式

#include "FIS1.h"

#include "FIS2.h"

#include "cio_int.h"

#include "adc.h"

#include "bio_lcd.h"

#include "bio_da.h"

#define Ts1 10.0 /*set sampling time*/

#define Ts (Ts1/16.0)

float input=8.0; /*input signal */

float old_e=0.0; /*for control rule xxxinteration*/

unsigned l=0;

extern float FIS1_membership[3][3];

extern float FIS1_membership1[3][3];

extern int FIS1_Rule[3][2];






void main()

{

Reset_lcd(); /*Initial LCD*/

INT_ADC(); /*Initial ADC Conventer*/

57

InitSampler(Ts);

LCDShowString(string1); /*Show “ DSP START” */

Start_Sample();

while(1);

}

void interrupt INT2_ISR(void)

{

float feedback,volt,AD_value; /*Input variable*/

float e,de,FIS1_out;

float FIS2_out;

float duty_cycle;

unsigned ch5,ch8;

if(EVIVRA==0x0027)

{

/*Stop_Sample(); /*Just for test , it was set non-real time*/ /*

if((l%2)==0)

DAX=0x0000;

else

DAX=0x0fff; */ /*Test A/D and sample time*/

ADC_START(5,8); /*ADC at channel 5*/

ADC_READ2(ch5,ch8); /*use channel 5(6) as ADC input*/

AD_value=(float)((ch5>>6)); /*Need to modify its scale*/

volt=(AD_value/1023)*5.0;

feedback=(volt/5.0)*8.0;

58

/*control rule caculation*/

e=input-feedback;

de=(e-old_e)/Ts1; /* Modify after finish ISR*/

FIS1_out=FIS1_fuzzy_controller(e);

/*fuzzy nonlinear mapping : e ==> FIS1_out */ /*sugeno type FIS*/

FIS2_out=FIS2_fuzzy_controller(e,de,FIS1_out);

/*fuzzy nonlinear mapping : e and e' and FIS1_out ==> FIS2_out */

/*sugeno type FIS*/

DAX=FIS2_out; /* Output range 0~10V */

old_e=e;

l++; /*Start_Sample(); */ /*Just for test , it was set non-real time*/

}

}

59

FIS1模糊控制程式(規劃煞車控制器的區段)




extern float FIS1_fuzzy_controller(float); /* function prototype */

extern float FIS1_compute_grade(float,int); /* function prototype */

float FIS1_fuzzy_controller(float e)

{

int n;

float grade[3];

float a1=0, b1=0,I=0;

for (n=0; n<=2; n++)

{

grade[n]=FIS1_compute_grade(e,(FIS1_Rule[n][0]-1));

a1=a1+(grade[n]*FIS1_membership1[(FIS1_Rule[n][1]-1)][1]);

b1=b1+grade[n];

}

I=a1/b1;

return(I);

}

float FIS1_compute_grade(float e,int set)

{

if((e<FIS1_membership[set][0])||(e>FIS1_membership[set][2]))

60

{

return(0);

}

else

{

if((e>FIS1_membership[set][1]))

{

return((FIS1_membership[set][2]-e)/(FIS1_membership[set][2]-FIS1_membership[set

][1]));

}

else

{

return((e-FIS1_membership[set][0])/(FIS1_membership[set][1]-FIS1_membership[set

][0]));

}

}

}

61

FIS1.h模糊控制之隸屬函數

#ifndef _FIS1_H_

#define _FIS1_H_

float FIS1_membership[3][3]={{-0.1, 2, 4}, /*input1 MF parameter*/

{2, 4, 6},

{4, 6, 8.01}};

float FIS1_membership1[3][3]={{0.25, 0.5, 0.75}, /*output MF parameter*/

{0, 0.25, 0.5},

{0.5, 0.75, 1}};

int FIS1_Rule[3][2]={{1,2},{2,1},{3,3}}; /*rules*/

float FIS1_fuzzy_controller(float); /* function prototype */

float FIS1_compute_grade(float,int); /* function prototype */

char string1[]="Start DSP Control ";

char string2[]="Stop DSP Control";

endif

62

FIS2模糊控制程式(所要執行的動作)

#define MIN(i,j,k) (((i<j)?i:j)<k)?((i<j)?i:j):k






extern float FIS2_fuzzy_controller(float,float,float);

extern float FIS2_compute_grade0(float,int);



float FIS2_fuzzy_controller(float e,float de,float FIS1_out)

{

int n;

float grade[48],grade_reg[3];

float a1=0, b1=0,I=0;

for (n=0; n<=47; n++)

{

grade_reg[0]=FIS2_compute_grade0(e,(FIS2_Rule[n][0]-1));

grade_reg[1]=FIS2_compute_grade1(de,(FIS2_Rule[n][1]-1));

grade_reg[2]=FIS2_compute_grade2(FIS1_out,(FIS2_Rule[n][2]-1));

grade[n]=MIN(grade_reg[0],grade_reg[1],grade_reg[2]);

a1=a1+(grade[n]*FIS2_membership3[FIS2_Rule[n][3]-1][1]);

63

b1=b1+grade[n];

}

I=a1/b1;

return(I);

}

float FIS2_compute_grade0(float e,int set)

{

if((e<FIS2_membership[set][0])||(e>FIS2_membership[set][2]))

{

return(0);

}

else

{

if((e>FIS2_membership[set][1]))

{

return((FIS2_membership[set][2]-e)/(FIS2_membership[set][2]-FIS2_membership[set

][1]));

}

else

{

return((e-FIS2_membership[set][0])/(FIS2_membership[set][1]-FIS2_membership[set

][0]));

}

}

64

}

float FIS2_compute_grade1(float de,int set)

{

if((de<FIS2_membership1[set][0])||(de>FIS2_membership1[set][2]))

{

return(0);

}

else

{

if((de>FIS2_membership1[set][1]))

{

return((FIS2_membership1[set][2]-de)/(FIS2_membership1[set][2]-FIS2_membershi

p1[set][1]));

}

else

{

return((de-FIS2_membership1[set][0])/(FIS2_membership1[set][1]-FIS2_membershi

p1[set][0]));

}

}

}

float FIS2_compute_grade2(float FIS1_out,int set)

{

65

if((FIS1_out<FIS2_membership2[set][0])||(FIS1_out>FIS2_membership2[set][2]))

{

return(0);

}

else

{

if((FIS1_out>FIS2_membership2[set][1]))

{

return((FIS2_membership2[set][2]-FIS1_out)/(FIS2_membership2[set][2]-FIS2_mem

bership2[set][1]));

}

else

{

return((FIS1_out-FIS2_membership2[set][0])/(FIS2_membership2[set][1]-FIS2_mem

bership2[set][0]));

}

}

}

66

FIS2.h模糊控制之隸屬函數

#ifndef _FIS2_H_

#define _FIS2_H_

float FIS2_membership[4][3]={{-2.4,0,3}, /*input1 MF parameter*/

{1.5, 3, 4.5},

{ 3, 4.5, 6}, /*need to modify*/

{4.5, 6, 9}};

float FIS2_membership1[4][3]={{-125,-100, -50}, /*input2 MF parameter*/

{-75, -50, -25},

{-50, -25, 0},

{-25, 0, 200}};

float FIS2_membership2[3][3]={{0.5,0.75, 1}, /*input3 MF parameter*/

{0.25, 0.5,0.75},

{ 0,0.25, 0.5}};

float FIS2_membership3[11][3]={{0, 0, 0}, /*output MF parameter*/

{0.6, 0.6, 0.6},

{1.2,1.2,1.2},

{1.8,1.8,1.8},

{0.9,0.9,0.9},

{0.3,0.3,0.3},

67

{1.5,1.5,1.5},

{2.1,2.1,2.1},

{2.4,2.4,2.4},

{2.7,2.7,2.7},

{ 3, 3, 3}};

int FIS2_Rule[48][4]={{4,1,1,1},{4,2,1,1},{4,3,1,1},

{4,4,1,1},{3,1,1,6},{3,2,1,6},

{3,3,1,6},{3,4,1,6},{2,1,1,2},

{2,2,1,2},{2,3,1,2},{2,4,1,2},

{1,1,1,5},{1,2,1,5},{1,3,1,5},

{1,4,1,5},{4,1,2,3},{4,2,2,3},

{4,3,2,3},{4,4,2,3},{3,1,2,7},

{3,2,2,7},{3,3,2,7},{3,4,2,7},

{2,1,2,4},{2,2,2,4},{2,3,2,4},

{2,4,2,4},{1,1,2,8},{1,2,2,8},

{1,3,2,8},{1,4,2,8},{4,1,3,9},

{4,2,3,9},{4,3,3,9},{4,4,3,9},

{3,1,3,10},{3,2,3,10},{3,3,3,10},

{3,4,3,10},{2,1,3,11},{2,2,3,11},

{2,3,3,11},{2,4,3,11},{1,1,3,11},

{1,2,3,11},{1,3,3,11},{1,4,3,11}};

float FIS2_fuzzy_controller(float,float,float);

float FIS2_compute_grade0(float,int);



#endif

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