一種火炮控制系統(tǒng)改造方法研究

王晉安，蔡 寧，尤 棟，王 喆，張 敏

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

某國外引進火炮裝備于大型主戰(zhàn)艦船上，用于執(zhí)行防空反導、對海作戰(zhàn)、對岸打擊等多種作戰(zhàn)任務。其控制系統(tǒng)采用射擊指揮系統(tǒng)集中式射擊控制和火炮分布式供輸彈控制相結(jié)合方式。射擊控制設備安裝于艙室內(nèi)，可完成自火炮彈藥準備好以后的所有射擊相關操作和火炮狀態(tài)顯示。供輸彈操作控制設備分散在炮塔內(nèi)不同位置的3個獨立操作控制臺中，完成所有的彈藥準備和機構(gòu)檢測工作。控制系統(tǒng)具有功能考慮全面，配置多個操作部位，適用于執(zhí)行不同任務等優(yōu)點。但其全部采用模擬控制技術，隨著服役年限的增加，逐漸暴露出線路老化、部分器件接近壽命、故障定位難、維修性差、可靠性低、性能降低等問題。

筆者對其控制系統(tǒng)進行改造，將采用操控設備分散式操作，信息、指令集中式管理，智能控制設備分布式控制的總體框架對原控制系統(tǒng)進行國產(chǎn)化改造，以實現(xiàn)火炮的全自動控制。該控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，使控制關系簡潔清晰、運行狀態(tài)便于監(jiān)測、故障診斷精確到位，可從根本上有效解決裝備保障工作中遇到的各類難題，徹底實現(xiàn)立足國內(nèi)的裝備全壽命保障，確保服役期內(nèi)的裝備戰(zhàn)備完好率。

1 控制系統(tǒng)設計與工作原理

該控制系統(tǒng)是在原火炮控制流程和現(xiàn)代火炮控制理論基礎上，利用先進、成熟、可靠的嵌入式控制、PLC控制、智能終端、現(xiàn)場總線、大功率數(shù)字交流伺服和智能供配電等技術[1-3]，替代原老舊的模擬式、分立元件式、繼電器式的控制方式，對分散在火炮不同位置的火炮控制臺和3個操控終端分別操作，信息采集、信息處理、指令發(fā)送由火炮控制臺計算機集中式管理，采用智能控制設備分布式控制的總體框架，通過現(xiàn)場總線傳遞控制指令和設備狀態(tài)，完成不同的火炮任務，以實現(xiàn)火炮的全自動控制。

根據(jù)不同需要，火炮操作可以在火炮控制臺和局部操縱臺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上分別進行。任何操作都會轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的操作指令通過現(xiàn)場總線發(fā)往火炮控制臺人機接口計算機，在其進行集中式管理。人機接口計算機對火炮實時狀態(tài)信息進行分析、判斷和決策，通過現(xiàn)場總線向智能控制設備發(fā)出控制指令。智能控制設備(上炮控控制器、下炮控控制器、瞄準隨動系統(tǒng)、引信測合系統(tǒng)、供配電系統(tǒng))按照控制指令自主完成對應的后續(xù)一系列控制，控制執(zhí)行部件完成相應的機構(gòu)動作、火炮運動、引信測合和供配電等工作?？刂萍軜?gòu)原理框圖如圖1所示。

2 基本條件

要通過這個控制系統(tǒng)實現(xiàn)火炮的全自動控制，就要具備智能設備、多總線、精確定時這3個基本條件。

2.1 智能設備

智能設備是傳統(tǒng)電氣設備與計算機技術、數(shù)據(jù)處理技術、控制理論、傳感器技術、網(wǎng)絡通信技術、電力電子技術等相結(jié)合的產(chǎn)物[4]。每個智能設備都能通過接收到的控制指令經(jīng)判斷、處理后，按照預先設定的條件自主完成后續(xù)的設備運轉(zhuǎn)，并將設備的相關信息進行反饋。

局部操縱臺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等操控終端通過現(xiàn)場總線連接到火炮控制臺人機接口計算機并與之交換操作請求和狀態(tài)信息。瞄準隨動系統(tǒng)、引信測合系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、炮控控制器等智能控制設備通過現(xiàn)場總線連接到火炮控制臺人機接口計算機并與之交換控制指令和狀態(tài)信息，根據(jù)人機接口計算機發(fā)出的控制指令自主完成對相應機構(gòu)的閉環(huán)控制、聯(lián)動和連鎖控制，此時人機接口計算機監(jiān)視其工作的進展和影響，通過狀態(tài)管理確保其任務完成所需的資源保障和安全保障。

2.2 多總線

CAN總線因成本低廉、通信實時性好、糾錯能力強等優(yōu)點，共享了所有信息和資源，簡化了布線，能更好地匹配和協(xié)調(diào)各個控制系統(tǒng)，被越來越多的船舶節(jié)點自動化系統(tǒng)采用[5-6]。在充分考慮傳輸數(shù)據(jù)量及節(jié)點數(shù)量等條件，根據(jù)功能的不同，規(guī)劃為3條總線。

火炮控制臺人機接口計算機作為整個火炮控制的核心，同時也是各條總線的起點。CAN 1總線連接火炮控制臺、瞄準隨動系統(tǒng)、引信測合系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)，完成對各個分系統(tǒng)的控制；CAN 2總線連接火炮控制臺和局部操縱臺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，完成各操控終端的操作請求發(fā)送和信息反饋；CAN 3總線連接火炮控制臺和上、下炮控控制器，完成機構(gòu)動作控制和傳感器信號采集。

3條獨立CAN總線數(shù)據(jù)傳輸采用CAN 2.0B總線網(wǎng)絡，設備間采用串行連接的物理連接方式。由于分別連接CAN 2、CAN 3總線的兩端設備距離在150 m左右，為保證CAN總線上數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定傳輸，將波特率設置為250 Kb/s，單點采樣，采樣點值為87.5%。CAN總線物理連接圖如圖2所示。

2.3 精確定時

精確定時能夠保證各通信節(jié)點的數(shù)據(jù)信息及時、有效地傳遞，提高了總線上數(shù)據(jù)的規(guī)律性、穩(wěn)定性。

每個周期內(nèi)3條CAN總線上各節(jié)點設備按照時間要求依次發(fā)送數(shù)據(jù)，同一時刻只有一個設備在發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送采用周期性發(fā)送方式，頻率為50 Hz。在火炮控制臺中配置有控制系統(tǒng)定時管理設備，使用其時統(tǒng)信號作為時間基準，向控制系統(tǒng)中的各有關節(jié)點提供20 ms的控制系統(tǒng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)采樣脈沖(時統(tǒng)信號)，各有關節(jié)點使用該脈沖進行接口傳輸數(shù)據(jù)的鎖存、采樣，并作為接口傳輸和外推數(shù)據(jù)的對準時刻，以及作為各有關節(jié)點新一周期的開始標記。CAN總線節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送時序圖如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 分散式操作

控制系統(tǒng)共有4個操控設備，包括火炮控制臺、局部操縱臺Ⅰ、局部操縱臺Ⅱ和局部操縱臺Ⅲ，它們分散在火炮不同位置，能分別控制火炮執(zhí)行不同任務。操控設備分布圖如圖4所示。

火炮控制臺是標準的多功能顯控臺，通過3條CAN總線對外進行信息交互。安裝于艦船的操作設備室，可完成對火炮的所有操作和所有狀態(tài)顯示，是整個控制系統(tǒng)的控制管理中心。

局部操縱臺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為3個可視化智能操控終端，通過CAN 2總線和火炮控制臺進行信息交互。3個操縱臺分別安裝于炮塔上部、中部和下部，用于完成對應火炮部位機構(gòu)的調(diào)試、檢查和維修。

3.2 集中式管理

智能控制設備發(fā)出的信息在火炮控制臺人機接口計算機上進行集中采集，經(jīng)過分析、判斷后得出各個設備的實時狀態(tài)，再根據(jù)操控設備發(fā)出的操作請求決策出有效、可行的控制指令發(fā)送給智能控制設備，并將控制指令的執(zhí)行過程和結(jié)果經(jīng)人機接口計算機反饋給操控設備進行處理和顯示。集中式管理流程圖如圖5所示。

火炮控制臺集中了所有操控終端的功能，可以進行所有的操作?；鹋诳刂婆_具有向3個局部操縱臺分別授權(quán)和撤銷授權(quán)的權(quán)限，當授權(quán)給局部操縱臺操作時，火炮控制臺操作無效。3個局部操縱臺中同時只有1個能被授權(quán)操作，且被授權(quán)后，也能將控制權(quán)還給火炮控制臺?？刂茩?quán)的轉(zhuǎn)移，就保證了操控設備的唯一性，同時也就保證了操作請求的唯一性。無控制權(quán)的設備只接收、顯示信息。

當人機接口計算機收到操作請求后，通過分析、判斷瞄準隨動系統(tǒng)、引信測合系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)和炮控控制器等反饋來的火炮實時狀態(tài)，進行決策。如當前狀態(tài)能夠滿足控制指令執(zhí)行條件，則執(zhí)行指令，并將執(zhí)行的過程和結(jié)果信息經(jīng)人機接口計算機反饋給操控設備處理和顯示；否則將不執(zhí)行。

火炮控制臺人機接口計算機作為集中式管理的核心，處理火炮運行過程中的每一個信息和指令，保證了信息的集中，管理的集中。

3.3 分部式控制

智能控制設備按照火炮控制臺人機接口計算機發(fā)出的控制指令自主完成對應的后續(xù)一系列控制，控制執(zhí)行部件完成相應的機構(gòu)動作、火炮運動、引信測合和供配電等工作，并將設備狀態(tài)、指令執(zhí)行過程和指令執(zhí)行結(jié)果經(jīng)人機接口計算機反饋給操控設備，供其分析數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)、信息顯示。分布式控制流程圖如圖6所示。

瞄準隨動系統(tǒng)接收使能指令、射擊諸元和其他控制指令，控制火炮方位和高低瞄準機構(gòu)運動，使火炮身管指向射擊諸元規(guī)定方向，同時將瞄準隨動系統(tǒng)設備狀態(tài)、限位、誤差、架位反饋等信息反饋給人機接口計算機。

引信測合系統(tǒng)接收使能指令、引信測合諸元和其他控制指令，控制引信測合機角度定位裝置旋轉(zhuǎn)到與引信測合時間成比例的位置上，同時將引信測合系統(tǒng)設備狀態(tài)、誤差等信息反饋給人機接口計算機。

供配電系統(tǒng)接收控制單體上電指令，控制供電

部件向指定設備供電，同時將供配電系統(tǒng)設備狀態(tài)、供電參數(shù)等信息反饋給人機接口計算機。

控制系統(tǒng)的機構(gòu)動作邏輯控制、時序控制、聯(lián)鎖控制在上、下炮控控制器里完成。通過接收控制指令，由炮控控制器自主完成機構(gòu)動作控制，并將動作過程、結(jié)果以及采集、處理的各傳感器信息反饋給人機接口計算機。

4 試驗驗證

改造后的控制系統(tǒng)經(jīng)鑒定試驗、射擊試驗驗證，能夠?qū)崿F(xiàn)火炮的全自動控制?；鹋诳刂婆_能夠一站式實現(xiàn)火炮的全面控制和狀態(tài)監(jiān)視，完成宏觀監(jiān)控控制功能；瞄準隨動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)火炮的方向、高低運轉(zhuǎn)功能，運動速度、加速度、誤差等指標高于原系統(tǒng)；引信測合系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)角度定位功能，運動速度、加速度、誤差等指標高于原系統(tǒng)；供配電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各單體供電功能，保證設備在運轉(zhuǎn)時穩(wěn)定工作；局部操縱臺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ能夠完全替代原操縱臺實現(xiàn)火炮的操作功能，新增的顯示屏虛擬顯示能更直觀地掌握火炮狀態(tài)；上、下炮控控制器能夠完全替代原繼電器的模擬控制模式，實現(xiàn)全數(shù)字化的機構(gòu)動作、邏輯控制。改造前后技術狀態(tài)對比如表1所示。

表1 改造前后技術狀態(tài)對比表

5 結(jié)束語

針對原射擊指揮系統(tǒng)集中式射擊控制和火炮分布式供輸彈控制相結(jié)合的控制方式進行國產(chǎn)改造，采用操控設備分散式操作，信息、指令集中式管理，智能控制設備分布式控制的方式，既保留了原多點位操作的優(yōu)點，又延續(xù)了國內(nèi)火炮控制臺一站式操控的傳統(tǒng)。同時采用數(shù)字化控制和信息交互方式，使控制關系簡潔清晰、控制界面劃分明確、運行狀態(tài)便于監(jiān)測、故障診斷精確到位，可從根本上有效解決裝備保障工作中遇到的各類難題，徹底實現(xiàn)立足國內(nèi)的裝備全壽命保障，確保服役期內(nèi)的裝備戰(zhàn)備完好率。

后期還可以根據(jù)不同需求進行控制系統(tǒng)升級改造?；鹋诳刂婆_可增加網(wǎng)絡節(jié)點來接收上一級如雷達、光電的控制指令；采用高速總線技術來提高傳輸速率，擴展控制節(jié)點；增加無人觀瞄分系統(tǒng)，擴展操作通道；增加智能操控終端，滿足火炮不同部位機構(gòu)的調(diào)試、檢查和維修；增加炮控控制器，采集更多的傳感器信號，更好地控制火炮機構(gòu)動作。同時每個智能設備都能升級硬件，滿足更高的需求。