某導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)單元測試模擬訓(xùn)練裝備

摘要：從分析影響某型號(hào)導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)單元測試教學(xué)訓(xùn)練效果的制約因素出發(fā)，利用PLC智能控制、機(jī)電液一體化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等方法，研制了某導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)單元測試模擬訓(xùn)練裝備。介紹了某導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)及其工作原理，在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)硬件各功能模塊的設(shè)計(jì)制作過程進(jìn)行了闡述，并對系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了說明。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可操作性強(qiáng)，減少了動(dòng)裝用裝次數(shù)，提高了教學(xué)訓(xùn)練效果，可延長導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的使用壽命，具有較高的軍事意義和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：再入空氣舵機(jī)；模擬訓(xùn)練裝備；單元測試；PLC

0 引言

再入空氣舵機(jī)作為導(dǎo)彈控制系統(tǒng)在導(dǎo)彈再入段飛行的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，已被用于多種型號(hào)的彈道式導(dǎo)彈上，其控制精度和對控制信號(hào)的響應(yīng)速度，對提高導(dǎo)彈的命中精度有很大的影響。對于再入空氣舵機(jī)這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、儀器精密的導(dǎo)彈武器裝備，涉及電工、液壓和空氣動(dòng)力學(xué)多方面的知識(shí)，并且再入空氣舵機(jī)在地面測試過程中的通電時(shí)間有著嚴(yán)格的時(shí)間要求限制。目前在火箭軍導(dǎo)彈基層部隊(duì)訓(xùn)練和院校教學(xué)過程中，某型號(hào)導(dǎo)彈的再入空氣舵機(jī)單元測試受通電時(shí)間所限，只能依靠教練員的講解加上部分實(shí)裝圖片、Flash動(dòng)畫演示以及短期的操作訓(xùn)練進(jìn)行崗位任職技能培訓(xùn)，這種方式方法已經(jīng)無法滿足火箭軍土官應(yīng)對實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)訓(xùn)練的需求，導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)操作號(hào)手不能直觀地認(rèn)識(shí)和體驗(yàn)其內(nèi)部部件的連接方式和工作過程，不利于操作號(hào)手深化原理、認(rèn)知裝備的訓(xùn)練需求，成為制約火箭軍部隊(duì)土官操作訓(xùn)練與院校理論教學(xué)的瓶頸問題。為了提高再入空氣舵機(jī)測試操作的訓(xùn)練效果和教學(xué)質(zhì)量，延長導(dǎo)彈武器設(shè)備的使用年限，研制了基于PLC的某導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)單元測試模擬訓(xùn)練裝備。

1 再入空氣舵機(jī)簡介

某導(dǎo)彈是我國遂行特定作戰(zhàn)任務(wù)要求的殺手锏武器，為了提高突破PAC3愛國者導(dǎo)彈防御能力、提升精確打擊能力，在導(dǎo)彈的再入飛行段，再入空氣舵機(jī)通過對彈頭飛行姿態(tài)（俯仰、偏航、滾動(dòng)）的控制，實(shí)現(xiàn)彈頭的機(jī)動(dòng)飛行、景象匹配及克服干擾穩(wěn)定飛行。某導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)有4個(gè)相互獨(dú)立的伺服控制回路，每個(gè)控制回路均由閥控作動(dòng)筒、電液伺服閥、反饋電位計(jì)、伺服放大器等組成，再入空氣舵機(jī)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

伺服作動(dòng)器是再入空氣舵機(jī)的執(zhí)行元件，將伺服閥輸出的高壓油轉(zhuǎn)換成具有一定速度的活塞桿的運(yùn)動(dòng)并由此帶動(dòng)空氣舵的擺動(dòng)；電液伺服閥是舵機(jī)液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和放大元件，將伺服放大器輸出的功率很小的指令信號(hào)變換并放大成一定功率的高壓液體油輸入作動(dòng)器，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)；反饋電位計(jì)是系統(tǒng)的反饋元件，同時(shí)也是系統(tǒng)位移輸出的監(jiān)測元件；燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置根據(jù)控制系統(tǒng)指令，產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)饬?，吹?dòng)渦輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)減速器減速帶動(dòng)油泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，輸出——定流量——定壓力的液壓油，將渦輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能。

2 再入空氣舵機(jī)的基本工作原理

導(dǎo)彈彈頭再入大氣層后，根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)饬?，吹?dòng)渦輪轉(zhuǎn)子達(dá)到高速旋轉(zhuǎn)并輸出一定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，經(jīng)減速器減速帶動(dòng)油泵，油泵輸出一定流量和壓力的液壓油至空氣舵機(jī)的液壓系統(tǒng)，整個(gè)伺服系統(tǒng)處于零位待命狀態(tài)。液壓系統(tǒng)的溢流閥自動(dòng)調(diào)節(jié)流向控制回路的油液的流量。

當(dāng)彈頭進(jìn)行程序飛行、景象匹配或克服干擾穩(wěn)定飛行時(shí)，控制系統(tǒng)給舵機(jī)的四個(gè)控制回路發(fā)出相應(yīng)的指令信號(hào)，經(jīng)彈上再入控制放大器的變換放大，成為伺服閥的控制電流，伺服閥根據(jù)指令信號(hào)極性和大小，使伺服作動(dòng)器的活塞桿產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)并經(jīng)過搖臂帶動(dòng)空氣舵的舵面擺動(dòng)。

作動(dòng)器活塞桿帶動(dòng)反饋電位器作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，輸出一個(gè)正比舵擺角位置的反饋信號(hào)，并以負(fù)反饋的形式與指令信號(hào)進(jìn)行綜合比較，形成液壓系統(tǒng)的閉環(huán)控制。空氣舵在位置上產(chǎn)生相應(yīng)的控制力矩，改變彈頭的俯仰、偏航或滾轉(zhuǎn)的姿態(tài)。隨著彈頭姿態(tài)的變化，指令信號(hào)不斷地改變，空氣舵擺角在伺服作動(dòng)器活塞桿的帶動(dòng)下亦隨著控制指令同步變化，實(shí)現(xiàn)了舵面擺動(dòng)的隨動(dòng)控制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)某導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)單元測試模擬訓(xùn)練裝備的設(shè)計(jì)要求，按照“結(jié)構(gòu)仿真、電氣等效、信號(hào)模擬、現(xiàn)象一致”的原則，結(jié)合該導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)及其單元測試的特點(diǎn)和工作原理，利用PLC智能控制、機(jī)電液一體化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等方法，確定了基于PLC的某導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)單元測試模擬訓(xùn)練裝備的硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

由圖2不難看出，導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)單元測試模擬訓(xùn)練裝備硬件包含控制回路和能源回路兩個(gè)不同回路。其中能源回路的功用是為系統(tǒng)提供一定的液壓壓力，為控制回路的正常工作提供能源，其主要設(shè)備有油箱、蓄能器、直流電動(dòng)機(jī)、溢流活門、柱塞泵、安全閥門、油濾組件等。而系統(tǒng)的控制回路是再入空氣舵機(jī)控制系統(tǒng)的核心，主要由電液伺服閥、伺服放大器、反饋電位器和作動(dòng)筒等組成，其作用是為系統(tǒng)提供控制信號(hào)，控制能源回路執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，反饋回路的作用是檢測能源回路動(dòng)作，進(jìn)而判斷整個(gè)再入空氣舵機(jī)系統(tǒng)能否已按照控制指令完成相應(yīng)的控制任務(wù)。

該系統(tǒng)的控制電路采取功能仿真的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用PLC構(gòu)成再入空氣舵機(jī)單元測試模擬訓(xùn)練裝備的控制系統(tǒng)。硬件部分的設(shè)計(jì)主要包括：PLC、驅(qū)動(dòng)板、各設(shè)備電路、接口模塊等部分。采用成熟的智能檢測與控制方法，以PLC為核心，配合自主研發(fā)的驅(qū)動(dòng)板和接口板，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地采集各種反饋信號(hào)并及時(shí)地輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。綜合各子系統(tǒng)不同的功能需求，采取成熟工業(yè)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了總線控制板、I/O輸入輸出板、A/D轉(zhuǎn)換板、電機(jī)和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)板等各種功能接口板，完成信號(hào)采集、開關(guān)量控制、時(shí)序控制、電平轉(zhuǎn)換等功能，并通過驅(qū)動(dòng)板滿足部分器件和電路的功率需求。外圍接口模塊主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

再入空氣舵機(jī)控制單元測試電路功能模塊主要采用對外接口功能仿真，即利用某導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)單元測試模擬訓(xùn)練裝備可以完成技術(shù)陣地再入空氣舵機(jī)零位測試、運(yùn)行時(shí)間測試、動(dòng)態(tài)性能測試、靜態(tài)性能測試等測試項(xiàng)目的測試，對再入空氣舵機(jī)的頻率特性、階躍特性、位置特性進(jìn)行全面的檢測，同時(shí)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地檢測再入空氣舵機(jī)油面壓力、充氣壓力、液壓油溫度等主要技術(shù)指標(biāo)：結(jié)合某導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)單元測試流程，通過單元測試模擬軟件，給導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)發(fā)送各種控制指令，模擬裝備根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的指令類型結(jié)合單元測試進(jìn)程，模擬單元測試過程中的各種現(xiàn)象，并在測試操作面板上顯示各種狀態(tài)信息。再入空氣舵機(jī)單元測試操作面板如圖4所示。

PLC綜合處理由再入空氣舵機(jī)單元測試模擬訓(xùn)練裝備發(fā)來的操作控制信號(hào)，將操作控制信號(hào)發(fā)送到外圍接口設(shè)備處理模塊，協(xié)調(diào)各分電路工作，實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)信息同步：同時(shí)將相關(guān)的控制信號(hào)上傳到教學(xué)機(jī)終端，進(jìn)行操作訓(xùn)練監(jiān)控與管理并實(shí)現(xiàn)多媒體教學(xué)互動(dòng)。

導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)單元測試模擬訓(xùn)練裝備實(shí)時(shí)接收測試操作控制面板發(fā)送的控制信號(hào)，通過串口與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)傳遞，實(shí)現(xiàn)軟件演示系統(tǒng)同步刷新電路、氣路和液路工作原理演示的功能，可形象、直觀地展現(xiàn)再入空氣舵機(jī)各部件結(jié)構(gòu)、工作過程及其連接關(guān)系，對操作號(hào)手掌握單元測試原理、認(rèn)知再入空氣舵機(jī)結(jié)構(gòu)組成，具有很好的支撐作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了提高編程效率，軟件系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主控軟件、通信軟件、故障診斷軟件、虛擬仿真軟件、教學(xué)管理軟件等，系統(tǒng)軟件組成框圖如圖5所不。

主控軟件：主要是配合相應(yīng)的硬件電路并進(jìn)行控制邏輯和操作過程的仿真，完成再入空氣舵機(jī)單元測試操作訓(xùn)練過程中各種信號(hào)的采集、計(jì)算、輸出。在單元測試操作過程中，根據(jù)號(hào)手的操作動(dòng)作在各顯示界面之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，并完成測試數(shù)據(jù)的自動(dòng)判讀?？刂栖浖目刂屏鞒虉D如圖6所示。

通信軟件：主要完成PLC與上位機(jī)以及PLC與各l/O模塊之間通信，為了簡化硬件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用的是RS232串行通信協(xié)議。

虛擬仿真軟件：為了提高教學(xué)訓(xùn)練效果，系統(tǒng)采用Unity3D和FlasH相結(jié)合的方法對系統(tǒng)的工作過程和工作原理進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，使操作號(hào)手能夠直觀的看到再入空氣舵機(jī)單元測試過程中裝備狀態(tài)的變化情況。

故障診斷軟件：主要是通過建立故障庫的方法，記錄操作動(dòng)作，并結(jié)合操作流程進(jìn)行分析判斷，給出測試操作成績，為操作號(hào)手的操作等級(jí)評定提供事實(shí)依據(jù)。

4 結(jié)論

本文研制的某導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)單元測試模擬訓(xùn)練裝備，硬件上綜合運(yùn)用了機(jī)電液一體化技術(shù)、嵌入式智能控制技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，集成了某導(dǎo)彈再入空氣舵機(jī)單元測試的操作訓(xùn)練功能與理論教學(xué)功能，研制完成后的系統(tǒng)如圖7所示。經(jīng)部隊(duì)和相關(guān)院校試用后，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可完成某導(dǎo)彈技術(shù)陣地再入空氣舵機(jī)零位測試、運(yùn)行時(shí)間測試、動(dòng)態(tài)性能測試、靜態(tài)性能測試等測試項(xiàng)目，解決了再入空氣舵機(jī)的頻率特性、階躍特性、位置特性測試過程中存在的工作過程難演示、工作原理難學(xué)習(xí)、故障現(xiàn)象難仿真等問題，減少了導(dǎo)彈部隊(duì)動(dòng)用實(shí)裝訓(xùn)練的次數(shù)，保證了操作號(hào)手教學(xué)訓(xùn)練時(shí)間，提高了部隊(duì)的訓(xùn)練效果和院校的教學(xué)質(zhì)量。

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