控制工程理論與火控技術(shù)探究

李偉領(lǐng)

摘 要：控制工程理論主要包括古典的自動(dòng)控制理論和結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的現(xiàn)代控制理論，其在火控技術(shù)上都有著極為廣泛的應(yīng)用。文章通過(guò)對(duì)其理論探究并結(jié)合實(shí)際火控設(shè)備，對(duì)其技術(shù)要點(diǎn)展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：控制工程理論；火控技術(shù)；探究

中圖分類號(hào)：TG580.23+5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）21-0040-02

1 控制工程理論分析

1.1 自動(dòng)控制理論

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著越來(lái)越重要的作用。自動(dòng)控制是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它的發(fā)展配電自動(dòng)化初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制，二戰(zhàn)期間為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及飛機(jī)用自動(dòng)駕駛儀，火炮定位系統(tǒng)，雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用設(shè)備，進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。到戰(zhàn)后，以形成完整的自動(dòng)控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出，線形定常數(shù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)題。

1.2 現(xiàn)代控制理論

現(xiàn)代控制理論所包含的學(xué)科內(nèi)容十分廣泛，主要的方面有：線性系統(tǒng)理論、非線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、隨機(jī)控制理論和適應(yīng)控制理論。

線性系統(tǒng)理論：它是現(xiàn)代控制理論中最為基本和比較成熟的一個(gè)分支，著重于研究線性系統(tǒng)中狀態(tài)的控制和觀測(cè)問(wèn)題，其基本的分析和綜合方法是狀態(tài)空間法。按所采用的數(shù)學(xué)工具，線性系統(tǒng)理論通常分成為三個(gè)學(xué)派：基于幾何概念和方法的幾何理論，代表人物是W.M.旺納姆；基于抽象代數(shù)方法的代數(shù)理論，代表人物是R.E.卡爾曼；基于復(fù)變量方法的頻域理論，代表人物是H.H.羅森布羅克。

非線性系統(tǒng)理論：非線性系統(tǒng)的分析和綜合理論尚不完善。研究領(lǐng)域主要還限于系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、雙線性系統(tǒng)的控制和觀測(cè)問(wèn)題、非線性反饋問(wèn)題等。更一般的非線性系統(tǒng)理論還有待建立。從70年代中期以來(lái)，由微分幾何理論得出的某些方法對(duì)分析某些類型的非線性系統(tǒng)提供了有力的理論工具。

最優(yōu)控制理論：最優(yōu)控制理論是設(shè)計(jì)最優(yōu)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，主要研究受控系統(tǒng)在指定性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)時(shí)的控制規(guī)律及其綜合方法。在最優(yōu)控制理論中，用于綜合最優(yōu)控制系統(tǒng)的主要方法有極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃。最優(yōu)控制理論的研究范圍正在不斷擴(kuò)大，諸如大系統(tǒng)的最優(yōu)控制、分布參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制等。

2 控制系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)（PCS）有時(shí)稱為工業(yè)控制系統(tǒng)（ICS），是生產(chǎn)線上可以進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）、可編程邏輯控制器（PLC）或分布式控制系統(tǒng)（DCS）的設(shè)備，可以收集和傳輸在制造過(guò)程中獲得的數(shù)據(jù)。PCS可以是相對(duì)簡(jiǎn)單的項(xiàng)目，其可以具有接收輸入的傳感器（通常稱為主換能器），處理輸入的控制器以及處理輸出的接收器。更復(fù)雜的PCS設(shè)備本身可以是機(jī)器人，并執(zhí)行許多任務(wù)。PCS設(shè)備可以通過(guò)稱為制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的中間件軟件與公司的企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）應(yīng)用程序進(jìn)行通信。

控制系統(tǒng)主要包括被控過(guò)程（或?qū)ο螅⒂糜谏a(chǎn)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)的檢測(cè)與變送儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、報(bào)警、保護(hù)和連鎖等其他部件。其中，重點(diǎn)在于傳感器。0級(jí)包含現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，例如流量和溫度傳感器以及最終控制元件，例如控制閥。1級(jí)包含工業(yè)化輸入/輸出（I/O）模塊及其相關(guān)的分布式電子處理器。2級(jí)包含監(jiān)控計(jì)算機(jī)，其將來(lái)自系統(tǒng)上處理器節(jié)點(diǎn)的信息整理并提供操作員控制屏幕。3級(jí)是生產(chǎn)控制水平，不直接控制過(guò)程，而是關(guān)注監(jiān)控目標(biāo)。4級(jí)是生產(chǎn)調(diào)度水平。

2.2 運(yùn)行方式

過(guò)程控制可以使用反饋，也可以是開(kāi)環(huán)的?？刂埔部梢允沁B續(xù)的（汽車巡航控制）或引起一系列離散事件，例如草坪噴灑器上的定時(shí)器（開(kāi)/關(guān)）或電梯上的控制（邏輯順序）。溫度傳感器如果溫度低于設(shè)定值，則打開(kāi)熱源，并在達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)關(guān)閉熱源。沒(méi)有測(cè)量設(shè)定點(diǎn)和測(cè)量溫度之間的差異（例如沒(méi)有誤差測(cè)量），并且沒(méi)有調(diào)整除了全部或沒(méi)有添加熱量的速率?？删幊踢壿嬁刂破骰騊LC的常用控制裝置用于讀取一組數(shù)字和模擬輸入，應(yīng)用一組邏輯語(yǔ)句，并生成一組模擬和數(shù)字輸出。例如，如果使用可調(diào)節(jié)的閥門將液位保持在水箱中，則邏輯聲明將將深度設(shè)定值下的等效壓力與傳感器的壓力讀數(shù)相比低于正常低液位，并確定是否需要更多或更少的閥門開(kāi)度保持水平不變。然后，PLC輸出將計(jì)算閥位置的增量變化量。更大更復(fù)雜的系統(tǒng)可以由分布式控制系統(tǒng)（DCS）或SCADA等過(guò)程控制系統(tǒng)控制。

3 火控雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

目前數(shù)字信號(hào)處理和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，為火控雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。相對(duì)于火控雷達(dá)的仿真，數(shù)字火控雷達(dá)具有良好的性能、特點(diǎn)、易操作性等優(yōu)點(diǎn)?；谇度胧教幚砥骱蛿?shù)字信號(hào)處理器（DSP）雙處理器飛機(jī)載導(dǎo)航火控雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，著重于數(shù)字飛機(jī)載導(dǎo)航火控雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)，數(shù)字信號(hào)處理模塊的硬件設(shè)計(jì)和軟件算法，為DSP系統(tǒng)提供了整體方案。同時(shí)采用消除飛機(jī)航向控制中的噪聲干擾和信號(hào)延遲問(wèn)題的差分方法。首先，漸近觀察者設(shè)計(jì)沒(méi)有飛機(jī)運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)參數(shù)。然后，證明觀察者穩(wěn)定，給出收斂條件。最后，模擬結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的觀測(cè)者可以抑制飛機(jī)信號(hào)噪聲，提高差分延遲。集中在綜合飛機(jī)信號(hào)系統(tǒng)中的碰撞檢測(cè)方法（即碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估），可以滿足復(fù)雜飛機(jī)操縱中的飛機(jī)狀態(tài)不確定性。采用綜合飛機(jī)信號(hào)系統(tǒng)（IBS）中現(xiàn)代技術(shù)解決方案，以提高飛機(jī)密集碰撞下的導(dǎo)航安全性，并采用了提前檢測(cè)潛在碰撞情況的飛機(jī)導(dǎo)航工具。在碰撞或接近碰撞的情況下，在兩架飛機(jī)遇到的情況下，模擬和評(píng)估了建議的基于距離的碰撞風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)和量化方法。電纜將低空雷達(dá)信號(hào)提供給用戶，低空雷達(dá)信號(hào)作為調(diào)制部分，被放置于將低空雷達(dá)信號(hào)從信號(hào)交換分配給用戶臺(tái)的頻率帶之外的載波信號(hào)，在中心站處提供頻率轉(zhuǎn)換裝置，用于將用戶發(fā)起的低空雷達(dá)信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)換為所使用的頻帶。此外，通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波器估計(jì)一個(gè)飛機(jī)相對(duì)于另一架飛機(jī)的相對(duì)導(dǎo)航軌跡，相對(duì)航向速度矢量和相對(duì)承載矢量。然后，使用各自的速度和相對(duì)承載向量來(lái)檢測(cè)和量化飛機(jī)之間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。因此，提出的碰撞風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)和量化方法可以在現(xiàn)代綜合飛機(jī)信號(hào)系統(tǒng)（IBS）中實(shí)現(xiàn)，其中可以檢測(cè)到碰撞前的飛機(jī)之間的潛在風(fēng)險(xiǎn)，也是電子導(dǎo)航的重要組成部分。

4 控制理論在火控雷達(dá)中的應(yīng)用

在火控雷達(dá)中可以進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的測(cè)量，包括壓力、流速、密度、pH、速度、應(yīng)力、溫度和重量。此外，傳感器可以檢測(cè)是否發(fā)生了操作，例如瓶子的填充，是否已經(jīng)達(dá)到正確的壓力或已達(dá)到溫度。在生產(chǎn)線上可以找到許多傳感器，這些傳感器屬于許多不同的領(lǐng)域，例如壓力傳感器、流量計(jì)、力傳感器和溫度傳感器。

壓力傳感器。當(dāng)燃料通過(guò)傳感器時(shí)，可以機(jī)械地觸發(fā)壓力傳感器。在其基本形式中，壓力傳感器顯示連接到傳感器的撥盤上的讀數(shù)，但也可以將讀數(shù)電子傳輸?shù)組ES應(yīng)用程序?；钊麎毫鞲衅鳎瑏?lái)自生產(chǎn)線上的燃料的壓力可以推動(dòng)壓縮彈簧的活塞。彈簧的運(yùn)動(dòng)可以指示壓力。隔膜受到少量壓力的影響，并在表盤上顯示。Bourdon管當(dāng)施加壓力時(shí)被拉直。它可用于測(cè)量壓力差。流量計(jì)是用于測(cè)量液體或氣體的線性，非線性，質(zhì)量或體積流量的儀器。當(dāng)選擇生產(chǎn)線的流量計(jì)時(shí)，需要了解有關(guān)流體的信息，運(yùn)動(dòng)速度以及如何記錄流量。

差分流量計(jì)識(shí)別流量，并將其轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的壓差。流量計(jì)根據(jù)流量的影響測(cè)量流量，這可以是由流動(dòng)移動(dòng)的簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)子臂，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)越快，流動(dòng)越快。力傳感器力傳感器用于測(cè)量施加的力和扭矩。這些傳感器通常包含應(yīng)變儀，并可以傳達(dá)力測(cè)量所需的信息。力傳感器可以是機(jī)械、液壓或電氣應(yīng)變儀。彈簧的偏轉(zhuǎn)與所施加的力成正比，因此如果運(yùn)動(dòng)顯示在刻度上。液壓稱重傳感器，當(dāng)施加力時(shí)，液體壓力增大，測(cè)量由顯示壓力的表盤進(jìn)行。應(yīng)變計(jì)是一個(gè)金屬圓筒，當(dāng)施加力時(shí)被壓縮。可以測(cè)量氣缸中的收縮導(dǎo)致由施加的電流測(cè)量的增加的電阻。

溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換為另一數(shù)量，例如表盤或電壓的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。熱電偶通常用塑料或玻璃纖維材料彼此絕緣。溫度變化會(huì)導(dǎo)致液體膨脹或蒸發(fā)，因此傳感器變得加壓，顯示在簡(jiǎn)單的壓力表上。當(dāng)兩個(gè)金屬剛性地連接在一起作為雙層帶并被加熱時(shí)，膨脹率的差異導(dǎo)致條彎曲。對(duì)于生產(chǎn)線上的傳感器，條帶被扭成管內(nèi)長(zhǎng)的細(xì)線圈。一端固定在管的底部，另一端轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)表盤上的指針。

5 結(jié)束語(yǔ)

控制工程技術(shù)發(fā)展迅速，因其易用性、穩(wěn)定性、快捷性受到廣大工程人員和通信人員的歡迎。我國(guó)各層次的開(kāi)發(fā)研究人員正不斷地改善當(dāng)前控制工程技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，為了充分利用控制工程的價(jià)值，在當(dāng)前社會(huì)生活中，各方面應(yīng)用人員應(yīng)加強(qiáng)自身的學(xué)習(xí)與探究，在合理的體系中力求控制工程價(jià)值的利用最大化。

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