基于聯(lián)合仿真的某型頂置武器站穩(wěn)定精度研究*

鄧 威，毛保全，王 新，張洪深

（1.裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072；2.裝甲兵技術(shù)學(xué)院，長春 130117；3.解放軍71217部隊，山東 萊陽 265200）

基于聯(lián)合仿真的某型頂置武器站穩(wěn)定精度研究*

鄧 威1，毛保全1，王 新2，張洪深3

（1.裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072；2.裝甲兵技術(shù)學(xué)院，長春 130117；3.解放軍71217部隊，山東 萊陽 265200）

穩(wěn)定精度是炮控系統(tǒng)最重要的性能指標，利用聯(lián)合仿真技術(shù)對某型頂置武器站炮控系統(tǒng)的穩(wěn)定精度進行研究?；诙囿w動力學(xué)仿真軟件RecurDyn建立了頂置武器站發(fā)射動力學(xué)模型、履帶式底盤模型、不同等級路面模型以及PID控制系統(tǒng)模型，并分別對其進行了初步驗證。在此基礎(chǔ)上，對不同等級路面的武器站炮控系統(tǒng)的穩(wěn)定精度進行仿真計算，仿真結(jié)果表明：該型頂置武器站的穩(wěn)定精度隨路面等級的提高而惡化。

頂置武器站，穩(wěn)定精度，聯(lián)合仿真，RecurDyn

0 引言

頂置武器站是可配備多種武器和不同組合的火力控制系統(tǒng)，可搭載于不同軍用車輛及平臺的模塊化武器系統(tǒng)［1］。目前國內(nèi)研發(fā)武器站已完成了演示驗證，并于“十二五”期間開展定型試驗。某型頂置武器站采用了雙軸穩(wěn)定技術(shù)，大大提高了武器行進間射擊穩(wěn)定性。其中，穩(wěn)定精度是反映炮控系統(tǒng)性能的最重要指標，對其進行測試是武器站定型試驗中必不可少的環(huán)節(jié)。

根據(jù)國軍標規(guī)定，炮控系統(tǒng)穩(wěn)定精度的常規(guī)測試方法是采用CCD記錄車輛行進過程中炮身的偏移量［2］；為了克服測試條件的限制以及室外環(huán)境的不確定影響因素，也有相當(dāng)一部分的研究單位將武器系統(tǒng)安裝在振動臺上，利用多自由度振動臺模擬底盤及路面?zhèn)鬟f到上裝武器系統(tǒng)的振動激勵，從而實現(xiàn)室內(nèi)的停止間穩(wěn)定精度測試［3］；為了提高測量精度，還有采用動力調(diào)諧陀螺儀的測量方法［4］。以上幾種基于實物、半實物的測試方法雖然能在不同程度上反映真實物理環(huán)境，但往往受實際條件限制，而且測試過程繁瑣，測量精度受測試系統(tǒng)自身精度及安裝條件影響大，容易帶來不確定誤差。

基于多體動力學(xué)的聯(lián)合仿真技術(shù)能夠在虛擬環(huán)境下對包含機械部分及控制部分的武器站整車系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真，通過修改不同參數(shù)即可方便地研究不同結(jié)構(gòu)、不同工況下的整車動力學(xué)特性。對武器站進行穩(wěn)定精度的聯(lián)合仿真，不僅可彌補實物試驗的不足，而且有效降低試驗成本、縮短武器站研發(fā)周期。

本文利用多體動力學(xué)仿真軟件RecurDyn實現(xiàn)武器站整車系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，所構(gòu)建的虛擬樣機模型主要包括武器站模型、底盤及路面模型、控制模型，以下分別對其進行介紹。

1 構(gòu)建武器站模型

某型頂置武器站主要由30 mm鏈式自動炮、緩沖簧、搖架、支撐架、耳軸、托架、彈箱、觀瞄裝置等部件組成［5］，如圖1所示。

其中，自動機在搖架與支撐架的共同限制下進行往復(fù)運動，搖架則通過左右對稱的耳軸軸承相對于托架進行俯仰運動，左耳軸末端固定有彈箱，右耳軸則固定有觀瞄裝置。高低機安裝于左托架內(nèi)，通過齒輪與搖架齒弧的嚙合控制著整個起落部分的俯仰角度；托架安裝于炮床上，炮床與上座圈固連，底盤頂端與下座圈固連，上下座圈通過滾珠實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動；方向機安裝于炮床上，通過齒輪與炮床外齒弧的嚙合控制著整個回轉(zhuǎn)部分的方位角度。武器站拓撲圖如圖2所示。

為了簡化發(fā)射過程，假設(shè)武器站在發(fā)射過程中只受到兩方面的作用力：火藥燃氣壓力及緩沖器彈簧力。火藥燃氣壓力通過實測數(shù)據(jù)導(dǎo)入RecurDyn進行擬合得出，如圖3所示。

緩沖器彈簧力則采用平動彈簧阻尼（TSDA）模型：

其中，K為緩沖簧剛度，X為緩沖簧長度，X0為緩沖簧初始長度，C為緩沖簧阻尼系數(shù)。

最終構(gòu)建的武器站動力學(xué)模型如圖4所示。

對上述模型進行發(fā)射動力學(xué)的仿真驗證，射擊工況為：武器站固定于地面，射角射向均為0°，單發(fā)射擊。仿真數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)的對比如表1所示。

由上表對比可知，仿真數(shù)據(jù)相對于試驗數(shù)據(jù)的誤差小于10%，說明所構(gòu)建的武器站發(fā)射動力學(xué)模型具有較高的精度，滿足工程分析的要求。

2 構(gòu)建履帶底盤及路面模型

本文利用RecurDyn的高速履帶模塊（Track-HM）建立底盤系統(tǒng)模型。所建模型主要包括車身及兩側(cè)對稱的履帶系統(tǒng)，每側(cè)履帶系統(tǒng)安裝有主動輪、負重輪、平衡肘、托帶輪、誘導(dǎo)輪及履帶板等，其數(shù)量及拓撲關(guān)系如表2所示：

其中，為了模擬扭桿式懸掛系統(tǒng)的力學(xué)特性，在平衡肘與車體之間旋轉(zhuǎn)副的基礎(chǔ)上賦予旋轉(zhuǎn)彈簧阻尼模型（RSDA），其力矩計算公式為：

式中，K為扭桿剛度系數(shù)，C為減振器阻尼系數(shù)（等效為扭桿阻尼系數(shù)），θ為平衡肘扭轉(zhuǎn)角度。

最終建立的底盤模型如圖5所示。

為了下一步進行不同路面間穩(wěn)定精度的仿真分析，需要構(gòu)建路面模型。根據(jù)國際標準ISO/DIS8608及國家標準GB7031-86規(guī)定，典型道路可根據(jù)路面不平度的不同進行8個等級的劃分［6］。

根據(jù)以上分級，采用采用諧波疊加法構(gòu)建出8個等級的道路模型，如圖6所示。

至此，底盤及路面模型構(gòu)建完畢。為了驗證履帶底盤懸掛系統(tǒng)的有效性，將武器站模型作為子系統(tǒng)導(dǎo)入底盤模型中合并成武器站整車發(fā)射動力學(xué)模型，如圖7所示。

對該模型進行靜平衡分析，車體質(zhì)心的垂向位置變化如下頁圖8所示。

由仿真曲線可知，由于自身重力，整車模型自然下落到地面，然后在底盤懸掛系統(tǒng)的作用下車體出現(xiàn)上下運動且幅值不斷衰減的過程，最后約在5 s后趨于平衡靜止狀態(tài)，表明所建履帶底盤的懸掛系統(tǒng)模型是有效的。

3 建立控制系統(tǒng)模型

某型頂置武器站炮控系統(tǒng)主要包括伺服傳動機構(gòu)、位置傳感器、速度陀螺儀、高低向功率放大器、高低向直流電機、水平向功率放大器以及水平向直流電機等。當(dāng)武器站進行行進間射擊時，由于路面的起伏形成振動激勵，身管的空間指向發(fā)生偏移，在穩(wěn)定工況的作用下，炮控系統(tǒng)通過位置傳感器及角速度陀螺儀產(chǎn)生與偏移量成比例的電信號，并經(jīng)由相敏整流器、積分器、綜合放大器等控制器的處理形成系統(tǒng)控制信號，并輸送到功率放大器中進行脈寬調(diào)制處理，直接驅(qū)動高低機/方向機輸出扭矩（高低機作用于搖架齒弧，方向機齒輪作用于上座圈外齒?。?，使得身管朝相反的方向轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)對身管偏移角度的補償，其作用機理如圖9所示（以高低向為例）［7］：

在以上穩(wěn)定工況的作用機理中，綜合控制信號的形成屬于典型的PID控制，其原理如圖10所示：

即根據(jù)系統(tǒng)的偏差信號，利用比例、積分、微分等手段計算出綜合的控制量?？刂屏康挠嬎阌梢韵率阶拥贸觯?/p>

其中，e（t）為偏差值，r（t）為給定值，y（t）為實際輸出值，u（t）為綜合控制量，KP為PID比例系數(shù)，KI為PID積分系數(shù)，KD為PID微分系數(shù)。

本文利用RecurDyn中的CoLink模塊建立控制系統(tǒng)模型。在之前建立的武器站整車模型的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建系統(tǒng)輸入輸出變量以關(guān)聯(lián)機械系統(tǒng)及控制系統(tǒng)：輸出變量為耳軸中心處標記點的角速度；輸入變量為搖架-耳軸旋轉(zhuǎn)副的單方向力矩，如圖11所示：

最終在CoLink中建立的控制系統(tǒng)框圖如圖12所示：

為對所建控制系統(tǒng)進行驗證，進行正弦信號跟蹤響應(yīng)。在原有控制框圖的基礎(chǔ)上，添加斜坡信號，并輸入表達式ωref=5sin（1.2πt）°/s，得出正弦信號跟蹤響應(yīng)曲線及響應(yīng)誤差曲線，如圖13、圖14所示：

由聯(lián)合仿真結(jié)果可知，在理想條件下，控制系統(tǒng)能實現(xiàn)對輸入信號的跟蹤響應(yīng)，且響應(yīng)誤差幅值小于0.4 mil，滿足武器站火控系統(tǒng)穩(wěn)定精度的要求。

4 不同路面下穩(wěn)定精度仿真算例

根據(jù)國軍標規(guī)定，炮控系統(tǒng)穩(wěn)定精度由以下公式計算得出：

其中，α為穩(wěn)定精度統(tǒng)計值，αi為各個樣本的偏差值，為樣本的算術(shù)平均值，n為樣本個數(shù)。

本節(jié)在上述武器站整車模型及控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上進行穩(wěn)定精度的聯(lián)合仿真，仿真工況為，武器站俯仰部分初始角度及目標角度均為0°，整車依次行駛在8個等級典型路面上，車速為2級（約為7.514 m/s），仿真時間為20 s。仿真結(jié)果如圖15所示（由于在H級路面下車體已經(jīng)發(fā)生顛覆，因此不在此列出）。

由于車體從靜止加速到規(guī)定車速時武器站俯仰部分會出現(xiàn)較大幅度的抖動，不屬于路面激勵對穩(wěn)定精度的影響范疇，因此取8 s后的穩(wěn)定精度作為統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算結(jié)果如下（單位：mil）：

由表4中計算結(jié)果可知，武器站在現(xiàn)有炮控系統(tǒng)的作用下，穩(wěn)定精度并不是一成不變的，而是隨著路面不平度的增加而惡化，基本上按照每級別增加1倍的規(guī)律。此外，從仿真結(jié)果來看，要想武器站行進間炮控系統(tǒng)的穩(wěn)定精度繼續(xù)達到0.4 mil的戰(zhàn)技指標要求，行駛的路面盡量選擇2級以下。

5 結(jié)束語

由于炮控系統(tǒng)穩(wěn)定精度的傳統(tǒng)試驗方法具有條件限制大、誤差大等不足，本文基于聯(lián)合仿真技術(shù)對某型頂置武器站整車系統(tǒng)行使在不同等級路面上的穩(wěn)定精度進行仿真研究，初步探索了路面激勵對穩(wěn)定精度的影響規(guī)律，為下一步精確模型、進行其他工況下的仿真分析打下基礎(chǔ)，同時也為該型頂置武器站定型試驗提供理論參考。

［1］毛保全.車載武器技術(shù)概論［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009：22-23.

［2］GJB6361-2008.裝甲車輛火控系統(tǒng)定型試驗規(guī)程［S］.北京：總裝備部，2008.

［3］李靜，王軍政，汪首坤，等.基于雙靶面的火炮動態(tài)穩(wěn)定精度測試方法［J］.儀器儀表學(xué)報，2010，21（10）:2328-2332.

［4］羅云，陳維義，李路.兩棲裝甲突擊車炮控系統(tǒng)穩(wěn)定精度檢測系統(tǒng)研究［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2012，27（3）: 84-87.

［5］徐禮.頂置武器站發(fā)射動力學(xué)仿真與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究［D］.北京：裝甲兵工程學(xué)院，2013.

［6］張立軍，何輝.車輛行駛動力學(xué)理論及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.

［7］朱競夫，趙碧君，王欽釗.現(xiàn)代坦克火控系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003.

Research on Stabilization Accuracy of Overhead Weapon Station Based on Co-simulation

DENG Wei1，MAO Bao-quan1，WANG Xin2，ZHANG Hong-shen3
（1.Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China；2.Armor Technique Institute of PLA，Changchun 130117，China；3.Troops 71217 of PLA，Laiyang 265200，China）

Stabilization accuracy is the most important performance index of gun control system. Based on the technology of co-simulation，some Overhead Weapon Station（OWS）’s stabilization accuracy is studied.OWS’s launch dynamics model，crawler chasses model，road model and PID control model are set up and validated by use of RecurDyn.Finally，OWS’s stabilization accuracy in different level road are simulated.Simulation result shows that the stabilization accuracy of the OWS worsen by increase of road level.

OWS，stabilization accuracy，co-simulation，RecurDyn

TJ203

A

1002-0640（2015）09-0080-05

2014-08-25

2014-09-08

軍隊裝備預(yù)研基金資助項目（2011ZB09）

鄧 威（1986- ），男，廣東湛江人，博士生。研究方向：車載武器系統(tǒng)集成與動態(tài)仿真。