一種二維彈道修正機(jī)構(gòu)的仿真測(cè)試系統(tǒng)*

張冬旭,姚曉先,陳 爽,張 鑫

(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,北京 100081)

一種二維彈道修正機(jī)構(gòu)的仿真測(cè)試系統(tǒng)*

張冬旭,姚曉先,陳 爽,張 鑫

(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,北京 100081)

為了測(cè)量一種新型二維彈道修正機(jī)構(gòu)的參數(shù)與動(dòng)態(tài)性能,搭建了針對(duì)該修正機(jī)構(gòu)的仿真測(cè)試系統(tǒng)。該仿真測(cè)試系統(tǒng)模擬了修正機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境,通過(guò)傳感器測(cè)量并記錄了修正機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、繞組電流等重要參數(shù),并對(duì)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,評(píng)估修正機(jī)構(gòu)的性能。實(shí)際應(yīng)用表明,該仿真測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,測(cè)量結(jié)果可為修正機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制策略的制定提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

虛擬儀器;彈道修正機(jī)構(gòu);微型發(fā)電機(jī);測(cè)試系統(tǒng)

0 引言

常規(guī)彈藥制導(dǎo)化是當(dāng)今武器發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)。為傳統(tǒng)的榴彈、火箭彈、迫彈、航空炸彈等彈藥加裝控制模塊、探測(cè)模塊、慣性模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等模塊后,傳統(tǒng)彈藥則具備了精確打擊能力。自20世紀(jì)60年代起,各發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始了對(duì)制導(dǎo)彈藥的研制[1]。彈道修正彈是制導(dǎo)彈藥的一種,其概念是美國(guó)人在20世紀(jì)70年代提出的[2]。其實(shí)施方式是在原有的榴彈、迫彈、火箭彈的引信位置加裝修正機(jī)構(gòu),由GPS或地面雷達(dá)探知彈丸飛行中某幾個(gè)時(shí)刻的空間位置,并將此位置與地面火控計(jì)算機(jī)或彈載計(jì)算機(jī)中預(yù)先裝定的理想彈道比較,根據(jù)偏差大小,控制彈上的修正機(jī)構(gòu)對(duì)射程和方向進(jìn)行一兩次或三四次修正[3]。

修正機(jī)構(gòu)是彈道修正彈的重要部件,其性能決定了彈道修正能力。國(guó)內(nèi)外對(duì)修正機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量研究。美國(guó)的北美BAE公司研制成功一種CCF,可用于旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈的二維修正。瑞典的FFV公司研制的Strix迫彈采用脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行二維彈道修正。國(guó)內(nèi)南京理工大學(xué)的黃建勛、馬少杰等研制了一種三位置電磁式舵機(jī),用于火箭彈的二維彈道修正[4]。沈陽(yáng)理工大學(xué)的孟慶宇、郝永平等研制了一種線(xiàn)性電動(dòng)舵機(jī),并對(duì)其氣動(dòng)特性進(jìn)行了計(jì)算[5]。國(guó)防科技大學(xué)的張曉今課題組對(duì)將脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)作為修正機(jī)構(gòu)時(shí)的點(diǎn)火時(shí)序和控制方法也都進(jìn)行了探討[6]。

1 工作原理和待測(cè)參數(shù)

1.1 彈道修正原理

文中所述二維彈道修正機(jī)構(gòu)的核心是一個(gè)微型永磁同步發(fā)電機(jī),用于旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)電機(jī)線(xiàn)圈繞組鑲嵌在與彈體固聯(lián)的內(nèi)軸上,永磁體鑲嵌在發(fā)電機(jī)外殼體的內(nèi)部。外殼體和彈體內(nèi)軸之間通過(guò)兩個(gè)軸承聯(lián)結(jié)。4片舵片固聯(lián)在外殼體上,均與彈體縱軸成一個(gè)固定的角度。其中舵片8與舵片10為操縱舵,舵片9與舵片11為差動(dòng)舵。彈丸發(fā)射后,彈體在膛線(xiàn)的作用下高速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速可達(dá)16 000 r/min。彈丸在飛行中,差動(dòng)舵會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)滾轉(zhuǎn)力矩,在該力矩的操縱下,外殼體會(huì)減旋至反向旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速較低,不超過(guò)700 r/min。

由于線(xiàn)圈繞組和永磁體間相對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng),繞組中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。將繞組閉合后,繞組中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,彈體內(nèi)軸和發(fā)電機(jī)外殼體間將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。作用在外殼體上的電磁轉(zhuǎn)矩和氣動(dòng)滾轉(zhuǎn)力矩方向相反。通過(guò)調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩的大小,則可以調(diào)整外殼體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),進(jìn)而調(diào)節(jié)操縱舵相對(duì)大地的位置。通過(guò)調(diào)整操縱舵的方位,則可以改變彈體的飛行方向,實(shí)現(xiàn)彈丸在射程和方向上的二維修正。

圖1 二維彈道修正彈執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 待測(cè)參數(shù)

設(shè)作用在發(fā)電機(jī)外殼體上的氣動(dòng)滾轉(zhuǎn)力矩為T(mén)a,電磁轉(zhuǎn)矩為T(mén)e,摩擦轉(zhuǎn)矩為T(mén)f,外殼體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J,相對(duì)大地的轉(zhuǎn)速為ω。外殼體受力情況如圖2所示。那么發(fā)電機(jī)外殼體的動(dòng)力學(xué)方程為:

(1)

由式(1)可以看出:電磁轉(zhuǎn)矩是發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo),其決定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈道修正能力。摩擦轉(zhuǎn)矩也是不可忽略的因素,其會(huì)影響到修正機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。測(cè)試系統(tǒng)將測(cè)量發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的空載摩擦轉(zhuǎn)矩、滿(mǎn)載電磁轉(zhuǎn)矩、繞組電流等相關(guān)參數(shù)。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析,以此來(lái)評(píng)估執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能。

圖2 發(fā)電機(jī)外殼體受力示意圖

2 測(cè)試系統(tǒng)的組成

2.1 測(cè)試系統(tǒng)的功能

測(cè)試系統(tǒng)的功能概括起來(lái)有兩點(diǎn):1)對(duì)發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境和工作過(guò)程進(jìn)行模擬;2)測(cè)試發(fā)電機(jī)在工作過(guò)程中的各項(xiàng)性能指標(biāo),完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和分析。測(cè)試系統(tǒng)主要由工控機(jī)模塊、傳感器模塊、電動(dòng)機(jī)模塊、測(cè)試臺(tái)架及附屬裝置等組成。各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)流向如圖3所示。測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)體圖片如圖4所示。從左至右主要部件依次為高速電主軸、待測(cè)發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和永磁同步電動(dòng)機(jī)。所有部件均固定在測(cè)試臺(tái)架上。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖4 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)體圖

2.2 工控機(jī)模塊

工控機(jī)模塊是測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心,其通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡向高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令,控制兩個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng);通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集電流傳感器測(cè)量的繞組電流信號(hào);通過(guò)串口卡接收轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和外殼體的轉(zhuǎn)速信號(hào)。測(cè)試軟件對(duì)反饋數(shù)據(jù)讀取、存儲(chǔ),供實(shí)驗(yàn)分析調(diào)用。

2.3 電動(dòng)機(jī)模塊

電動(dòng)機(jī)模塊包括高速電主軸和永磁同步電動(dòng)機(jī)。高速電主軸采用數(shù)控磨床的電主軸,其輸出轉(zhuǎn)速最高可達(dá)20 000 r/min。電主軸通過(guò)法蘭與彈體連接,可帶動(dòng)彈體高速旋轉(zhuǎn)。電主軸驅(qū)動(dòng)器接受運(yùn)動(dòng)控制卡的速度指令,控制電主軸的轉(zhuǎn)速,使電主軸按照規(guī)劃好的轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn),測(cè)試中用來(lái)模擬彈體轉(zhuǎn)速的變化。

永磁同步電動(dòng)機(jī)采用高性能伺服電動(dòng)機(jī)。其通過(guò)聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和外殼體連接,三者共同旋轉(zhuǎn)。測(cè)試中用來(lái)模擬彈丸在飛行中修正機(jī)構(gòu)的反向低速旋轉(zhuǎn)和所受的氣動(dòng)滾轉(zhuǎn)力矩。該電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器接受運(yùn)動(dòng)控制卡的速度和轉(zhuǎn)矩指令,精確控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出,用來(lái)準(zhǔn)確模擬修正機(jī)構(gòu)在實(shí)際飛行過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.4 傳感器模塊

傳感器模塊包括電流傳感器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。電流傳感器用于測(cè)量發(fā)電機(jī)的繞組相電流和母線(xiàn)電流,接口電路如圖5所示。傳感器型號(hào)采用ACS712,其可將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換為與之成比例的電壓信號(hào)。采集卡將4路電流信號(hào)采集后存入工控機(jī)磁盤(pán)。

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器可以動(dòng)態(tài)的測(cè)出作用在外殼體上的轉(zhuǎn)矩和其轉(zhuǎn)速,其輸出為幅值一定頻率可變的脈沖信號(hào),待測(cè)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速為脈沖頻率的線(xiàn)性函數(shù),如式(2)所示。T、n為待測(cè)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,f為輸出脈沖信號(hào)的頻率,a、b、c為傳感器的儀器常數(shù)。接口電路采用嵌入式處理器,將脈沖信號(hào)解算為轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)速值,通過(guò)串口發(fā)送給工控機(jī)。

T=a·f+b

n=c·f

(2)

圖5 電流傳感器接口電路

圖6 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器接口電路

2.5 測(cè)試臺(tái)架及附屬機(jī)構(gòu)

為保證高速電主軸與永磁同步電機(jī)裝配的同軸性,減少測(cè)試過(guò)程中的震動(dòng),所有的機(jī)械部件均固定在由車(chē)床床身改造的測(cè)試臺(tái)架上。系統(tǒng)中還包括導(dǎo)電滑環(huán)、冷卻裝置、夾具等附屬機(jī)構(gòu)。測(cè)試過(guò)程中,發(fā)電機(jī)在電主軸的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn),導(dǎo)電滑環(huán)將發(fā)電機(jī)的線(xiàn)圈繞組連接至電流傳感器接口電路。電主軸的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的熱,為保證測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定和器件的使用壽命,電主軸和導(dǎo)電滑環(huán)還分別配備了水冷系統(tǒng)和氣冷系統(tǒng)。其中包括水泵、液氮罐、閥門(mén)、循環(huán)管路等器件。

3 軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)測(cè)量

3.1 測(cè)試軟件概述

測(cè)試軟件采用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)。測(cè)試系統(tǒng)啟動(dòng)后,首先進(jìn)行初始化,配置采集卡和串口卡的參數(shù)。然后,將彈丸在飛行過(guò)程中彈體轉(zhuǎn)速和修正機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律以及所受氣動(dòng)滾轉(zhuǎn)力矩的變化規(guī)律裝定入工控機(jī)。工控機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)以裝定的規(guī)律運(yùn)動(dòng),分別模擬飛行過(guò)程中彈體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速變化。采集卡和串口卡分別采集和接收傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù),存入計(jì)算機(jī),以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。

圖7 測(cè)試流程圖

圖8 測(cè)試軟件主面板3.2 空載測(cè)試

摩擦轉(zhuǎn)矩Tf主要來(lái)源于軸承,其大小會(huì)影響修正機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。若令圖5中發(fā)電機(jī)的負(fù)載電阻開(kāi)路,則繞組中沒(méi)有感應(yīng)電流,此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te為零。將永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為恒定值,則測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后動(dòng)力學(xué)方程(1)化為:

Ta=Tf

(3)

此時(shí),轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出就是摩擦轉(zhuǎn)矩。調(diào)節(jié)電主軸的轉(zhuǎn)速,分別測(cè)量電主軸在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 摩擦轉(zhuǎn)矩測(cè)量值

根據(jù)以上測(cè)量結(jié)果可以得到:摩擦轉(zhuǎn)矩的大小相對(duì)于電主軸的轉(zhuǎn)速變動(dòng)不大。組與組之間的測(cè)量值差異主要是由軸承的品質(zhì)和裝配精度引起的。選用高質(zhì)量軸承,保證裝配精度,可以大大減小摩擦轉(zhuǎn)矩。

3.3 滿(mǎn)載測(cè)量

電磁轉(zhuǎn)矩Te的大小將決定修正機(jī)構(gòu)的修正能力。如圖5所示的閉合回路,調(diào)整負(fù)載電阻的阻值,調(diào)整電主軸的轉(zhuǎn)速,永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定(約10r/s)。系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,式(1)化為:

Ta=Te+Tf

(4)

此時(shí),轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出為電磁轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩的和。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 滿(mǎn)載測(cè)量結(jié)果

由測(cè)量結(jié)果可以看出,摩擦轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩相比值很小,電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電主軸的轉(zhuǎn)速成正相關(guān),與負(fù)載電阻阻值成負(fù)相關(guān)。電磁轉(zhuǎn)矩的大小將為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和控制策略的制定提供依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

文中提出了基于虛擬儀器的二維修正彈修正機(jī)構(gòu)的仿真測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效模擬修正機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境和工作過(guò)程,并能夠精確測(cè)量微型發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中的重要參數(shù)。測(cè)試軟件界面友好,操作簡(jiǎn)單,可進(jìn)行實(shí)時(shí)配置,并能夠準(zhǔn)確記錄、分析測(cè)量結(jié)果,為二維修正彈氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)和控制策略的制定提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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[6] 劉欣. 脈沖式彈道修正彈運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析 [D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2007.

Research on Simulation and Measurement System of a Two-dimensionalTrajectory Correction Mechanism

ZHANG Dongxu, YAO Xiaoxian, CHEN Shuang, ZHANG Xin

(School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The simulation and measurement system was designed for a new type of two-dimensional trajectory correction mechanism in order to measure the parameters and dynamic performance of the new correction mechanism. With the simulation and measurement system, the working situation of the correction mechanism could be simulated and the pivotal parameters such as relative speed, electromagnetic torque and winding current could be sampled, stored and analyzed to evaluate the correction mechanism. Experiment shows that the simulation and measurement system has stable performance and the measurement results could lay experimental foundation for design and control of the correction mechanism.

virtual instrument; trajectory correction mechanism; micro generator; measurement system

2014-03-14

張冬旭(1986-),男,吉林長(zhǎng)春人,博士研究生,研究方向:彈上執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

TJ765.4

A