HILS技術(shù)在水雷控制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

蔣平，陸曉明

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

隨著微機技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的進步，水中兵器發(fā)展到了一個新的階段，具備遠程打擊、精確制導(dǎo)能力的武器才能成為佼佼者。水雷作為具有戰(zhàn)略威懾的水中兵器，有著極其重要的地位。然而，傳統(tǒng)的水雷，其“守株待兔”的作戰(zhàn)方式已經(jīng)跟不上現(xiàn)代戰(zhàn)爭的腳步，新一代水雷武器的研制正朝著高機動性、精確打擊、不受水深限制、布放方式多樣化的方向發(fā)展。作為水雷總體技術(shù)中的核心部分，水雷的控制系統(tǒng)無疑有著重要的地位，其主要功能是根據(jù)水雷航行與攻擊過程中的彈道要求控制彈體，使其按規(guī)定的彈道運動，無論是攻擊的快速性、精確性或者是隱蔽性、抗干擾性，都跟控制系統(tǒng)的效能息息相關(guān)。

半實物仿真（Hardware in the loop simulation，HILS）指在整個仿真回路中包含一部分硬件的仿真。與傳統(tǒng)的純數(shù)學(xué)仿真相比，HILS在其整個系統(tǒng)中接入了一部分實物，因此仿真結(jié)果往往具有很高的置信度;同時，由于部分真實的設(shè)備、產(chǎn)品參與了整個仿真過程，這也有助于對這部分硬件進行性能考察，從而使部件能在滿足系統(tǒng)整體性能指標(biāo)的環(huán)境中得到檢驗。對水雷控制系統(tǒng)進行半實物仿真，全面評價水雷彈體控制特性，可為水雷控制系統(tǒng)設(shè)計及評價提供有力的依據(jù)，可有效提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性和研制質(zhì)量，降低系統(tǒng)的研制周期和研制經(jīng)費。

1 水雷控制系統(tǒng)基本組成

隨著精確制導(dǎo)等性能的要求越來越高，水雷的控制系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，控制系統(tǒng)包含的設(shè)備有航行控制器、導(dǎo)航設(shè)備、舵機、敏感元件等。

導(dǎo)航設(shè)備則提供彈體的方位、速度參數(shù);航行控制器根據(jù)水雷彈體的方位、速度以及目標(biāo)的方位、距離進行操舵舵角解算;舵機單元則根據(jù)航行控制器解算的操舵舵角和實際舵角進行閉環(huán)控制，輸出系統(tǒng)所需要的操舵角，使彈體偏轉(zhuǎn);敏感元件則獲取水雷彈體的姿態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)。

2 HILS結(jié)構(gòu)組成

HILS結(jié)構(gòu)（如圖1所示）由3部分構(gòu)成:①仿真計算機用來進行動力模型的設(shè)計及運行程序、處理數(shù)據(jù);②環(huán)境模擬設(shè)備包括運動仿真器、角運動仿真器、目標(biāo)特性仿真器等仿真設(shè)備;③被測實物一般指控制微機板、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等硬件設(shè)備［1］。

圖1 HILS結(jié)構(gòu)圖Fig.1Structure of HILS

3 水雷控制系統(tǒng)的HILS功能設(shè)計

水雷控制系統(tǒng)的半實物仿真試驗，要求能為水雷控制系統(tǒng)提供真實的工作環(huán)境，并充分模擬不同的工作條件，以檢驗系統(tǒng)的各種功能和可靠性。具體表現(xiàn)在實現(xiàn)如下功能［2］:

1）進行水雷的6自由度非線性模型仿真解算;

2）通過數(shù)字舵機返回的通信報文，獲取實時的橫舵、直舵角值;

3）通過深度模擬裝置模擬水雷航行的深度，并通過壓力傳感器讀取;

4）通過三維運動模擬器實時模擬水雷的運動航行和姿態(tài);

5）通過慣性測量組合和仿真計算機記錄下航行軌跡。

4 水雷控制系統(tǒng)的HILS系統(tǒng)構(gòu)成

為了實現(xiàn)上述功能，在進行水雷控制系統(tǒng)HILS設(shè)計時，必須包括以下設(shè)備［3］:

1）DSPACE實時仿真系統(tǒng)，主要功能是仿真控制對象和環(huán)境;

2）MATLAB仿真工作站，主要功能是建立水雷控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型;

3）FLUENT仿真工作站，主要完成彈體特性分析、流體動力性能分析;

4）三軸轉(zhuǎn)臺，通過轉(zhuǎn)臺的3個軸的轉(zhuǎn)動，模擬水雷的航行姿態(tài)變化，形成逼真的水下運動環(huán)境。

5）深度模擬器，通過壓力的變化調(diào)節(jié)，為水雷控制系統(tǒng)的深度傳感器提供深度信息;

6）航行控制器，基于微機板的航行控制硬件結(jié)構(gòu)，通過接收到的目標(biāo)、自身的速度和信息進行姿態(tài)解算，解算出控制舵角操舵指令后發(fā)給數(shù)字舵機;

7）數(shù)字舵機，作為航行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，通過操縱橫舵、直舵和差動舵3個舵面來實現(xiàn)導(dǎo)引航行;

8）裝定器，通過串行通信口發(fā)送虛擬目標(biāo)信息;

9）慣性測量系統(tǒng)，提供水雷的實時方位及速度信息，并記錄下彈道軌跡。

圖2 HILS系統(tǒng)原理圖Fig.2Schematic of HILS system

5 水雷控制系統(tǒng)的HILS工作原理

由上述仿真設(shè)備和部分實物組成的HILS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其工作原理如下:系統(tǒng)上電后，裝定設(shè)備向航行控制器發(fā)送虛擬目標(biāo)信息，航行控制器隨即根據(jù)目標(biāo)信息進行舵角控制律的解算，解算出合適的操舵指令后發(fā)給數(shù)字舵機伺服系統(tǒng)，數(shù)字舵機開始進行操舵，舵角信息反饋至DSPACE系統(tǒng)控制對象模型，該系統(tǒng)根據(jù)水雷的模型和運動學(xué)方程計算出水雷的實時姿態(tài)信息，并輸出至三軸轉(zhuǎn)臺，三軸轉(zhuǎn)臺隨即開始進行轉(zhuǎn)動，模擬水雷的真實姿態(tài)變化，慣性測量組合則不斷解算出水雷的航行軌跡，并將水雷的方位、速率信息發(fā)送給航行控制器，并記錄下水雷的航行軌跡，最后，將運動曲線顯示在屏幕上，并計算相關(guān)的超調(diào)量、響應(yīng)時間、穩(wěn)態(tài)誤差等性能指標(biāo)參數(shù)，以此來檢驗水雷控制系統(tǒng)的工作性能。

6 HILS仿真結(jié)果分析

通過裝定器發(fā)送的虛擬目標(biāo)方位信息為（26.5°，26.5°），經(jīng)過控制系統(tǒng)的半實物仿真，所得的系統(tǒng)HILS彈道曲線如圖3所示，彈道數(shù)據(jù)如表1所示。

由HILS仿真結(jié)果可以看出，通過理論計算的穩(wěn)態(tài)俯仰角和偏航角應(yīng)為26.5°，在控制系統(tǒng)的作用下，水雷的彈道軌跡超調(diào)量≤1.7°，穩(wěn)態(tài)誤差≤1.6°，最大超調(diào)約≤8%，穩(wěn)定收斂時間≤1.14 s，半振蕩周期≤2。由此可以得出結(jié)論，該水雷控制系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了航向?qū)б刂疲{(diào)較小，收斂時間較快，缺點是穩(wěn)態(tài)誤差略大。分析航行控制算法得知，航行控制舵角控制律解算時采取的是PD控制律，缺少積分I環(huán)節(jié)，因此導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差較大，后續(xù)的改進設(shè)計則應(yīng)該通過在控制律中增加積分環(huán)節(jié)來有效減小穩(wěn)態(tài)誤差。

為了進一步驗證水雷控制系統(tǒng)的魯棒性，選擇將仿真流體模型中的敏感參數(shù)偏離試驗初值20%的情況，進行綜合拉偏試驗，所得彈道控制曲線如圖4所示。

圖4 全拉偏雙通道彈道控制曲線圖Fig.4Full bais schematic diagram of dual channel track control

由半實物仿真系統(tǒng)姿態(tài)曲線可以得出結(jié)論，該水雷控制系統(tǒng)能較好地滿足快速性、穩(wěn)定性等指標(biāo)要求，且能在拉偏±20%的狀態(tài)下完成穩(wěn)定的航行導(dǎo)引控制，控制能力較強。相信經(jīng)過不斷的控制參數(shù)調(diào)整和算法優(yōu)化，控制能力還能得到進一步的提升。

7 結(jié)語

從上述HILS仿真結(jié)果可以得出結(jié)論:半實物仿真可以有效地模擬水雷工作環(huán)境和姿態(tài)變化，并通過一系列實物檢驗控制系統(tǒng)的性能，其仿真結(jié)果具有較高的置信度，且通過仿真結(jié)果可以快速有效地找出系統(tǒng)設(shè)計需要改進的地方，大大減少了科研周期和研制經(jīng)費。可以斷定，HILS技術(shù)將在水中兵器工程研制中扮演越來越重要的角色。

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