大型紅外模擬目標(biāo)靶溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 輝，王 柯

（中國華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西華陰 714200）

大型紅外模擬目標(biāo)靶溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 輝，王 柯

（中國華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西華陰 714200）

針對(duì)某型紅外制導(dǎo)武器試驗(yàn)，用原實(shí)物作實(shí)彈射擊目標(biāo)成本過高，所以急需制作大尺寸紅外模擬目標(biāo)靶；然而目標(biāo)背景溫差控制精度高與野外復(fù)雜工作環(huán)境之間存在極大的矛盾，對(duì)相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，應(yīng)用手動(dòng)與自動(dòng)、現(xiàn)場與遠(yuǎn)程等多種控制方式，通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)，解決了上述技術(shù)矛盾，滿足了復(fù)雜環(huán)境條件下武器射擊試驗(yàn)的較高技術(shù)要求；最終，利用模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)方法，在工程上高效完成了模擬目標(biāo)溫控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，解決了試驗(yàn)急需，并多次應(yīng)用該系統(tǒng)圓滿完成了各項(xiàng)射擊試驗(yàn)任務(wù)。

紅外模擬；靶標(biāo)；溫控系統(tǒng)

0 引言

隨著紅外技術(shù)在武器系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)靶場的試驗(yàn)考核手段提出了新的要求。為了考核某型紅外制導(dǎo)武器系統(tǒng)的性能，靶場試驗(yàn)要求在野外復(fù)雜環(huán)境條件下，提供特定量化紅外特征的大尺寸紅外模擬目標(biāo)，用于實(shí)彈射擊。該紅外模擬目標(biāo)制作要求高，給工程實(shí)踐帶來了較大的難度。

1 設(shè)計(jì)要求

該大型紅外模擬目標(biāo)要求背景溫差控制精度較高：與背景的溫差保持在T0±0.75 K之間；工作環(huán)境復(fù)雜：在晴朗、陰天、氣溫跨度大等復(fù)雜環(huán)境條件下均能夠按要求正常工作。

2 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫控系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)思路

2.1.1 模擬目標(biāo)工作條件分析

在野外條件下，影響模擬目標(biāo)背景溫差的因素較多：如日照角度和強(qiáng)度，云層遮蔽程度，環(huán)境溫度，背景溫度，風(fēng)速、風(fēng)向等，影響因素多，不易建立準(zhǔn)確實(shí)用的數(shù)學(xué)模型。而在野外試驗(yàn)一切準(zhǔn)備就緒，武器系統(tǒng)即將實(shí)彈發(fā)射時(shí)，靶區(qū)須保證足夠的安全范圍，必須撤出靶標(biāo)控制、紅外觀測等相關(guān)輔助設(shè)備及人員，此時(shí)若是突然受到自然環(huán)境干擾，極有可能導(dǎo)致紅外靶標(biāo)因溫度異常使得武器射擊試驗(yàn)失敗，所以確保紅外靶標(biāo)的可靠穩(wěn)定以及遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制至關(guān)重要。

2.1.2 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

由于模擬目標(biāo)迎彈面的面積較大，為了便于運(yùn)輸架設(shè)，選用碳纖維加熱薄膜及輕質(zhì)鋁箔保溫反射膜為紅外模擬目標(biāo)靶表層材料，并在其表面覆蓋一層透明的聚四氟乙烯薄膜，封閉一層靜止空氣以降低對(duì)流熱損失。其特點(diǎn)是比熱容小，熱慣性小，升降溫快，但缺點(diǎn)是在野外條件下使用，容易受到較大的擾動(dòng)。

在一定環(huán)境條件下，為達(dá)到并維持所需的紅外輻射背景溫差，應(yīng)向靶標(biāo)注入適當(dāng)?shù)碾娂訜峁β?，使得靶元吸收的能量總功率與其耗散熱功率相等，達(dá)到動(dòng)態(tài)熱平衡。為了確保整個(gè)系統(tǒng)安全可靠，采用了現(xiàn)場手動(dòng)控制、現(xiàn)場自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)與自動(dòng)控制相結(jié)合的控制方案，如圖1所示，若現(xiàn)場環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，則現(xiàn)場手動(dòng)設(shè)置適當(dāng)恒定加熱功率；若現(xiàn)場環(huán)境影響較大，則改用現(xiàn)場程序自動(dòng)控制，達(dá)到試驗(yàn)要求并穩(wěn)定一段時(shí)間后，人員撤離至安全區(qū)外進(jìn)行遠(yuǎn)程測控。

2.2 溫控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖2～圖5所示，溫度控制系統(tǒng)主要包括3部分：大功率控制箱（含溫度自動(dòng)控制模塊）、數(shù)顯無線手持終端、無線測量前端。4部分可以獨(dú)立工作，也可以協(xié)同工作，計(jì)算機(jī)用于遠(yuǎn)程控制、輔助調(diào)試或備份數(shù)據(jù)。如圖2所示，最少配置為1臺(tái)多路大功率控制箱，可直接手動(dòng)通過電位器旋鈕設(shè)置加熱材料的輸入功率。如圖3所示，將溫度自動(dòng)控制模塊嵌入多路大功率控制箱后，可增加溫度自動(dòng)控制功能。

如圖4所示，為無線溫度測量前端，主要用于測量靶面及其背景溫度，為溫度自動(dòng)控制模塊無線傳輸溫度數(shù)據(jù)；如圖5所示，無線數(shù)顯手持端可以更加方便地進(jìn)行功率、溫度的無線設(shè)置，實(shí)時(shí)無線監(jiān)測靶標(biāo)各狀態(tài)參數(shù)，也以可用于臨時(shí)非接觸測量溫度。所有模塊配合具備3種工作模式：1）恒功率模式；

2）恒溫模式；3）恒定背景溫差模式。

2.3 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 溫控系統(tǒng)軟件模塊化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分上位機(jī)和下位機(jī)軟件：上位機(jī)軟件為遠(yuǎn)程監(jiān)測控制軟件，用于在武器發(fā)射區(qū)進(jìn)行遠(yuǎn)程測控，同時(shí)在調(diào)試下位機(jī)軟件期間，用來驗(yàn)證控制算法等，主要基于Lab VIEW 2012完成；下位機(jī)軟件主要包括3部分：前端溫度測量程序、溫度自動(dòng)控制模塊程序、無線數(shù)顯手持端程序等，主要基于IAR EW for MSP430完成。

2.3.2 溫度自動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制采用了Fuzzy－PID控制方法，將模糊控制與經(jīng)典的PID控制結(jié)合起來，既保持了模糊控制的靈活性，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)［1-5］。溫度測量模塊利用I2C串口控制非接觸測量模塊MLX90614實(shí)時(shí)測量靶面溫度［6-8］，以保證測量的快速相應(yīng)。

圖1 大型紅外模擬目標(biāo)靶溫控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖2 多路大功率控制模塊設(shè)計(jì)框圖

圖3 多路溫度自動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)框圖

圖4 非接觸無線溫度測量前端設(shè)計(jì)框圖

圖5 無線數(shù)顯手持終端硬件設(shè)計(jì)框圖

自動(dòng)溫控系統(tǒng)難點(diǎn)在于復(fù)雜條件下的系統(tǒng)適應(yīng)性和抗干擾性，如圖6所示，為恒定溫差控制模塊簡易流程圖。功率的升降調(diào)整幅度異常重要，必須適當(dāng)，本文利用模糊處理自整定PID參數(shù)來計(jì)算調(diào)整幅度，效果良好。當(dāng)被控對(duì)象的開環(huán)階躍響應(yīng)近似呈一條S形曲線時(shí)，該對(duì)象總可以用帶有純時(shí)間延遲的一階模型來近似描述：式中，G為系統(tǒng)傳遞函數(shù)，s為復(fù)變量，K為系統(tǒng)的增益，e為自然對(duì)數(shù)，L為系統(tǒng)的純滯后時(shí)間，T為系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。

圖6 恒溫自動(dòng)控制模塊簡易流程圖

為了獲取被控紅外靶標(biāo)的系統(tǒng)特征，如圖7、圖8所示，分別為輸入幅值為A時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線及其溫度變化率曲線，按照式（2）計(jì)算各出系統(tǒng)各參數(shù)［9］，式中，t0為初始時(shí)刻，t1為曲線的斜率達(dá)到kmax時(shí)刻，t2為當(dāng)曲線的斜率經(jīng)最大值減小為kmax／e2的時(shí)刻，y0、y1、y2分別為t0、t1、t2對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出。

最后，按照ITAE最佳設(shè)定公式（3）整定PID控制器3個(gè)參數(shù)Kp、Ki和Kd［10］。由于實(shí)際中干擾因素影響，僅使用PID參數(shù)控制效果難于滿足實(shí)際復(fù)雜情況。在PID參數(shù)整定的基礎(chǔ)上，須將人工經(jīng)驗(yàn)內(nèi)置于模糊規(guī)則中，利用模糊規(guī)則實(shí)時(shí)在線整定PID的3個(gè)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下的溫度優(yōu)化控制。利用MATLAB中提供的Fuzzy Logic Toolbox建立如圖9所示的推理系統(tǒng)［11］，輸入端為溫度E和溫度變化率Ec，輸出端為PID的3個(gè)參數(shù)Kp、Ki和Kd。將輸入變量E、Ec和輸出變量Kp、Ki和Kd的語言值設(shè)為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，即｛“負(fù)大”，“負(fù)中”，“負(fù)小”，“零”，“正小”，“正中”，“正大”｝，E的基本論域?yàn)椋?℃，30℃｝、Ec的基本論域?yàn)椋?℃，5℃｝，以上各變量論域均為｛－3，－2，－1，0，1，2，3｝，輸入變量以及輸出變量的模糊隸屬函數(shù)均選擇三角形隸屬函數(shù)。

圖7 被控對(duì)象的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線

圖8 被控對(duì)象的開環(huán)階躍響應(yīng)溫度變化率

圖9 模糊推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在模糊規(guī)則編輯器中設(shè)置模糊規(guī)則以if－then的形式表達(dá)，溫度控制規(guī)則共49條，如表1所示。將模糊規(guī)則在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)并調(diào)試，達(dá)到滿意效果后編成表格錄入下位機(jī)中進(jìn)行調(diào)用查詢。

表1 Kp、Ki和Kd的模糊控制規(guī)則表

3 溫控系統(tǒng)的調(diào)試實(shí)現(xiàn)以及控制效果

由于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟、硬件工作量都較大，同時(shí)試驗(yàn)任務(wù)緊迫，所以必須仔細(xì)規(guī)劃系統(tǒng)的開發(fā)過程，提高效率。首先進(jìn)行硬件模塊的拼接，隨著電子封裝以及電路制版工藝的進(jìn)步，各種電路功能模塊的微型電路板容易獲得，其機(jī)械尺寸小，供電以及數(shù)字物理接口均為標(biāo)準(zhǔn)2.54 mm的排針，可以根據(jù)需要用萬用空PCB板焊接適當(dāng)排針座作為母版，或直接用杜邦線連接即可快速搭建一個(gè)小型微控制系統(tǒng)硬件，用通用儀器殼體適當(dāng)加以固定和封裝。

軟件開發(fā)工作量最大，首先實(shí)現(xiàn)下位機(jī)基本功能模塊，如溫度測量，AD，DA，串口等功能模塊，這樣就可以為采集參數(shù)、實(shí)現(xiàn)核心的自動(dòng)控制功能做好準(zhǔn)備工作。上位機(jī)軟件首先實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，這樣就可以采集下位機(jī)送來的系統(tǒng)階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行各種計(jì)算處理，如在上位機(jī)中完成PID參數(shù)整定以及模糊處理得出控制參數(shù)，最終實(shí)時(shí)計(jì)算出輸出功率，通過串口發(fā)送至下位機(jī)來控制功率器件調(diào)整溫度，由于上位機(jī)調(diào)試相對(duì)方便，當(dāng)完成自動(dòng)控制到達(dá)所需效果時(shí)，可以將算法逐步在下位機(jī)上實(shí)現(xiàn)，建立模糊控制查詢表，使得下位機(jī)系統(tǒng)更加完善獨(dú)立，提高開發(fā)效率。最終的PID控制效果以及模糊PID控制對(duì)比試驗(yàn)分別如圖10、圖11所示，采用模糊PID控制達(dá)到了試驗(yàn)要求并圓滿完成了試驗(yàn)。

圖10 PID溫度自動(dòng)控制效果

4 結(jié)論

本文針對(duì)紅外模擬靶標(biāo)的較高技術(shù)要求，充分考慮試驗(yàn)實(shí)際，對(duì)整個(gè)靶標(biāo)溫控系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，將模塊化設(shè)計(jì)思路貫穿整個(gè)硬件以及軟件系統(tǒng)，確保了整個(gè)系統(tǒng)的快速實(shí)現(xiàn)。針對(duì)溫度控制對(duì)象干擾因素多、控制精度高等技術(shù)要求，在單純使用PID控制無法滿足自動(dòng)控制要求的情況下，利用模糊控制引入人工經(jīng)驗(yàn)，在一般的氣象條件下，能夠滿足試驗(yàn)要求，提高了試驗(yàn)效率，解決了試驗(yàn)難題。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，組合靈活，能夠適應(yīng)多種型號(hào)的紅外靶標(biāo)的控制，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

圖11 模糊PID溫度控制效果

［1］趙紅艷.基于參數(shù)自整定模糊PID的飛機(jī)液壓能源油溫控制［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2014，22（5）：1404-1406.

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［10］張福波，張殿華，劉相華，等.PID控制器參數(shù)的ITAE最佳設(shè)定公式［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（8）：755-758.

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Design and Implement of Temperature Controlling System for Infrared Large－scale Simulate Target

Liu Hui，Wang Ke

（China Huayin Ordnance Test Centre，Huayin 714200，China）

It’s very imperative to make a large－scale simulate target for one weapon trial，while too expensive by using the original target.It needs high－accuracy control for the background difference in temperature，which contradicts the preferable adaptability in complex operational environment.The system design is put forward by depth analysis on corresponding technology difficult point in this paper，which resolved by using various control mode，such as manual operation，automatic at local or remote，etc.The simulate target is finally accomplished with various module on engineering，which meets the urgent need of the weapon trial by many times trial test，verification and improvement.It has been sucessfully used in many trial mission.

infrared simulacrum；target；temperature controlling system

1671-4598（2016）08-0218-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.060

：TP277

：A

2016-02-01；

：2016-03-04。

劉 輝（1980-），男，安徽滁州人，碩士研究生，工程師，主要從事溫度、微波、無線電等方向的計(jì)量測試研究工作。