某型導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周金芳+李興鶴+陳浩+薛征

摘要：為了滿足某型號(hào)導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)自動(dòng)駕駛儀的動(dòng)態(tài)測(cè)試要求，分析了該自動(dòng)駕駛儀的測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了自動(dòng)駕駛儀單通道定點(diǎn)半實(shí)物仿真試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。本文介紹了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)及功能，應(yīng)用LabVIEW軟件編寫(xiě)測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和保存等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)操作方便、擴(kuò)展性能強(qiáng)，完全能滿足動(dòng)態(tài)自動(dòng)駕駛儀的測(cè)試需求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)；自動(dòng)駕駛儀；數(shù)據(jù)采集

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.016

引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境日益復(fù)雜，要求機(jī)動(dòng)性越來(lái)越高，目標(biāo)打擊越來(lái)越準(zhǔn)。導(dǎo)彈是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)必不可少的武器，研究導(dǎo)彈的控制技術(shù)，提高導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)性能，顯得尤為重要。作為導(dǎo)彈的主要控制測(cè)試設(shè)備的自動(dòng)駕駛儀的完善和優(yōu)良程度具有重要作用。隨著某型號(hào)導(dǎo)彈的改進(jìn)和大量使用，要求被測(cè)信號(hào)通道數(shù)增多、波形復(fù)雜、判讀精度高，傳統(tǒng)的測(cè)試臺(tái)操作復(fù)雜、誤差大、成本高，有必要針對(duì)某型號(hào)導(dǎo)彈研制一套智能化水平高的、能夠測(cè)試動(dòng)態(tài)性能（或稱(chēng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)）的導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀。

1 自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)性能測(cè)試（或稱(chēng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)）是將彈體模型、敏感元件用計(jì)算機(jī)軟件編排，與彈上計(jì)算機(jī)（即數(shù)字控制器）和舵機(jī)艙（即伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)）實(shí)物構(gòu)成閉合回路，模擬彈體運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)駕駛儀穩(wěn)定控制過(guò)程，以檢驗(yàn)駕駛儀動(dòng)態(tài)性能。

導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)由硬件和軟件兩個(gè)部分組成。其主要作用是對(duì)導(dǎo)彈駕駛儀的物理參數(shù)進(jìn)行采集、處理和記錄，以數(shù)字和圖像等方式顯示測(cè)試和處理結(jié)果，并具有一定的故障診斷能力。

根據(jù)測(cè)試需求和“功能夠用”原則，首先確定測(cè)試需求和進(jìn)行需求分析，確定總體方案。在此基礎(chǔ)上，選擇采集設(shè)備和接口設(shè)備，組建硬件系統(tǒng)并合理配置系統(tǒng)資源，對(duì)測(cè)試設(shè)備與被測(cè)件之間的接口進(jìn)行適配調(diào)試；待硬件系統(tǒng)搭建完成并調(diào)試正常時(shí)，進(jìn)行軟件編程及調(diào)試；最后對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)采用臺(tái)式結(jié)構(gòu)，基本分為三個(gè)模塊部分：工控機(jī)、控制組合和電源系統(tǒng)。工控機(jī)模塊含有A/D、D/A、DIO以及軟件；控制組合模塊包括隔離板、一級(jí)加電保護(hù)模塊、二級(jí)加電保護(hù)模塊、增益模塊、面板上各種接插件轉(zhuǎn)接組合、交/直流電壓/電流測(cè)量模塊等：電源模塊是供給產(chǎn)品的直流電源。本系統(tǒng)的原理組成如圖2。

2 導(dǎo)彈的數(shù)學(xué)模型

為了能將系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行系統(tǒng)仿真，必須先將系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算求解的仿真模型。隨著控制系統(tǒng)仿真理論的日趨完善，轉(zhuǎn)換的方法也日趨繁多，在工程應(yīng)用中，彈體模型的轉(zhuǎn)換方法常用的是四階龍格一庫(kù)塔法。下面具體介紹轉(zhuǎn)換的方法及應(yīng)用。

2.1 方法說(shuō)明

四階龍格一庫(kù)塔的計(jì)算公式為：

（2-1）

式（2-1）中出現(xiàn)的變量，除h和t外全是向量，在編程時(shí)要特別注意。

對(duì)于線性微分方程，狀態(tài)方程為：

即系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以用一階線性微分方程組描述為：

（2-2）

式（2-2）也可用數(shù)值積分法來(lái)計(jì)算，即對(duì)于第一式，可將a₁₁x₁+a₁₂x₂+…a_1nx_n+b₁u看作f（t1，x1，x2，…，xn，u）。當(dāng)已知x1，x2，…，xn的初值及u（t）后，就可求出x1，x2，…，xn隨時(shí)間變化的整個(gè)過(guò)程。

3 動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

測(cè)試系統(tǒng)硬件主要包括兩部分，一個(gè)是實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)采集工控機(jī)，另一個(gè)是電源采集模塊。

1）仿真計(jì)算機(jī)的選用

仿真計(jì)算機(jī)的底板采用Adlink公司的HPCI-14S12U，該底板擁有12個(gè)PCI插槽。CPU板采用NuPRO-841，該板支持Pentium 4處理器，最高3.06GHz。內(nèi)存2GB，多功能打印機(jī)采用HP LaserJet 1020。

2）A/D卡的選擇

A/D卡選用ADLINK公司的PCI-9118。此卡的主要參數(shù)如下：

a.通道數(shù)目16（選用2塊）；b.采樣的數(shù)據(jù)位數(shù)：16bit；c.采樣速率330kS/s。

3）D/A卡的選擇

D/A卡選用ADLINK公司的PCI-6216。此卡的主要參數(shù)如下：

a.通道數(shù)目：16路（選用2塊）；b.輸出的數(shù)據(jù)位數(shù)：16bit。

4）DIO計(jì)時(shí)卡的選擇

選擇ADLINK公司的PCI-9112，帶有20MHz的晶振計(jì)時(shí)功能。通道數(shù)目：16DIO路（選用兩塊）。

5）直流電源的設(shè)計(jì)

按照系統(tǒng)要求，將所有的直流電源設(shè)計(jì)制作在一個(gè)箱體中，形成電源模塊。

6）信號(hào)增益/衰減板的設(shè)計(jì)

為了保護(hù)產(chǎn)品和數(shù)據(jù)采集卡，對(duì)輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行合理的放大或衰減。增益的倍數(shù)在0.1～5。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)選用Windows XP操作系統(tǒng)，軟件的編程和運(yùn)行環(huán)境采用microsoft公司的visual C++6.0，主要完成舵指令、舵偏角等信號(hào)的采集、彈體模型解算、發(fā)送指令給彈上機(jī)、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)判讀、生成報(bào)表等功能。

軟件的解算方法采用二階龍格庫(kù)塔法。

測(cè)試程序應(yīng)采用中文界面，具有良好的交互性；采樣周期及算法應(yīng)保證測(cè)試的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)有性能測(cè)試、故障診斷、回放系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)思想和自頂向下的方法，界面友好、操作簡(jiǎn)單方便。其測(cè)試流程如圖3所示。

為了提高測(cè)試效率，在實(shí)際測(cè)試中，系統(tǒng)將每個(gè)測(cè)試流程劃分為若干個(gè)測(cè)試步驟。這樣，一個(gè)復(fù)雜的測(cè)試過(guò)程就可以通過(guò)多個(gè)不同的測(cè)試步驟加載來(lái)完成，從而充分利用了測(cè)試設(shè)備的內(nèi)存空間，大大提高了測(cè)試速率和效率。

本系統(tǒng)有彈上計(jì)算機(jī)與舵系統(tǒng)的模型，在界面中以打勾的方式可選，在半實(shí)物仿真中，操作人員可任意搭配彈上計(jì)算機(jī)與舵系統(tǒng)的模型，以及彈上計(jì)算機(jī)與舵系統(tǒng)的實(shí)物進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證結(jié)果。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性與實(shí)用性，我們建立起了一個(gè)某型導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)自動(dòng)駕駛儀測(cè)試實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)整體是由控制組合、電源系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、操作臺(tái)等組成，整個(gè)系統(tǒng)全部通過(guò)測(cè)試軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試，自動(dòng)駕駛儀的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)主要用來(lái)測(cè)試自動(dòng)駕駛儀的動(dòng)態(tài)特性，主要由測(cè)試軟件和“控制組合”以及“電源組合”來(lái)完成整個(gè)測(cè)試過(guò)程，測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。

自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的軟件界面如圖5所示，測(cè)試的曲線和報(bào)表顯示如圖6所示，電源自檢測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖7，要求測(cè)試的物理量的采樣曲線完全準(zhǔn)確地反映出某型導(dǎo)彈的實(shí)際性能，要求測(cè)試的一些性能參數(shù)以數(shù)字的形式進(jìn)入報(bào)表，用于保存和打印。本測(cè)試系統(tǒng)采用自動(dòng)判讀方式，解放人工，降低人為誤差，提高了效率。

5 關(guān)鍵技術(shù)

1）Windows XP下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真

由于此系統(tǒng)的仿真時(shí)間間隔要求（≤1ms），無(wú)法使用PC機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器。故利用計(jì)時(shí)卡上的定時(shí)器，計(jì)時(shí)卡上可提供給用戶自由使用的定時(shí)器，編程能夠達(dá)到微秒級(jí)的系統(tǒng)定時(shí)。這樣可滿足此仿真測(cè)試系統(tǒng)的要求。這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)在某型自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)中使用過(guò)，并且工作狀態(tài)很穩(wěn)定。

2）各通道彈體數(shù)學(xué)模型及敏感元件模型的解算方法

為了滿足精度的要求，所有模型的狀態(tài)方程的解算方法均采用二階龍格庫(kù)塔法。

3）A/D輸入信號(hào)和D/A輸出信號(hào)的增益/衰減板

采用成熟的模塊化信號(hào)調(diào)理技術(shù)設(shè)計(jì)的電路完全可以滿足系統(tǒng)提出的要求。

6 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)駕駛儀測(cè)試系統(tǒng)完成了對(duì)某型導(dǎo)彈的性能測(cè)試，結(jié)果表明，測(cè)試的結(jié)果能準(zhǔn)確反應(yīng)導(dǎo)彈的實(shí)際性能，其余狀態(tài)參數(shù)指標(biāo)均在要求的范圍，且多次測(cè)量穩(wěn)定，由于保密原因在此不做結(jié)果具體分析。此測(cè)試系統(tǒng)滿足測(cè)試系統(tǒng)的性能和設(shè)計(jì)要求，充分說(shuō)明了該自動(dòng)駕駛儀的設(shè)計(jì)突出簡(jiǎn)單而有效的結(jié)果。