地空導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)的綜合仿真測試裝置搭建

王承軍，謝 侃，華 偉

(上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

地空導(dǎo)彈從地面或海面發(fā)射，用于攻擊空中目標(biāo)或攔截其他彈道導(dǎo)彈。作為地空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的重要組成部分，導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng) (flying control system，F(xiàn)CS)的作用是通過敏感元件獲得導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)信息，將其與制導(dǎo)指令進(jìn)行綜合，并按照一定的控制規(guī)律操縱伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而控制和改變導(dǎo)彈飛行過程中的受力情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈飛行軌跡的準(zhǔn)確控制［1］。

在地空導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)的研制過程中，需要完成控制系統(tǒng)及其組成單機(jī)的一系列仿真與測試工作，以驗(yàn)證飛行控制系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求和應(yīng)用需求。為真實(shí)反映地空導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)產(chǎn)品性能、測試交付產(chǎn)品的控制性能指標(biāo)，搭建了以仿真測試計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合仿真測試裝置，以完成研制產(chǎn)品仿真測試和交付驗(yàn)收測試等工作［2］。

1 仿真與測試組成

1．1 飛行控制系統(tǒng)組成

地空導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)由控制單元、敏感元件和伺服機(jī)構(gòu)組成。其中，控制單元為飛行控制系統(tǒng)的核心?？刂茊卧邮罩茖?dǎo)指令和敏感元件傳送的彈體飛行姿態(tài)信息，經(jīng)過穩(wěn)定控制算法計(jì)算，輸出伺服機(jī)構(gòu)的控制指令，使伺服機(jī)構(gòu)的舵機(jī)偏轉(zhuǎn)或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作［1］。導(dǎo)彈本體的飛行姿態(tài)，為飛行控制系統(tǒng)的控制對(duì)象。飛行控制系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

圖1 飛行控制系統(tǒng)控制原理圖Fig．1 Control principle of FCS

1．2 仿真測試組成

為了檢驗(yàn)產(chǎn)品性能是否滿足設(shè)計(jì)要求并達(dá)到預(yù)期結(jié)果，需要對(duì)飛行控制系統(tǒng)及其單機(jī)進(jìn)行測試。飛行控制系統(tǒng)的測試包括伺服機(jī)構(gòu)測試、敏感元件測試和飛行控制系統(tǒng)仿真測試［3］。其中，伺服機(jī)構(gòu)測試和敏感元件測試是對(duì)2個(gè)單機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，屬于單機(jī)測試的范疇。只有單機(jī)測試滿足技術(shù)要求并驗(yàn)收合格后，才能組裝到飛行控制系統(tǒng)中，進(jìn)行飛行控制系統(tǒng)仿真與測試。

1．3 飛行控制系統(tǒng)仿真測試

1．3．1 仿真測試分類

以飛行控制系統(tǒng)為對(duì)象的仿真測試屬于產(chǎn)品系統(tǒng)級(jí)仿真測試。按照測試項(xiàng)目和接入測試系統(tǒng)中產(chǎn)品實(shí)物狀態(tài)劃分，飛行控制系統(tǒng)仿真與測試包括數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真測試以及綜合仿真測試等。飛行控制系統(tǒng)仿真測試分類如圖2所示。

圖2 仿真測試分類示意圖Fig．2 Classification of simulation tests

1．3．2 數(shù)字仿真

飛行控制系統(tǒng)數(shù)字仿真是指:以數(shù)學(xué)模型形式構(gòu)成控制系統(tǒng)的彈體運(yùn)動(dòng)、敏感元件、伺服機(jī)構(gòu)以及穩(wěn)定控制單元等部分，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真分析工作。數(shù)字仿真包括定點(diǎn)數(shù)字仿真和全參量數(shù)字仿真。其主要作用包括為產(chǎn)品方案論證和決策提供數(shù)據(jù)、進(jìn)行系統(tǒng)靈敏度和容差分析、完成系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)分析和特征提取、模擬產(chǎn)品姿態(tài)控制和飛行試驗(yàn)等。數(shù)字仿真不涉及控制系統(tǒng)的任何實(shí)物部件和設(shè)備。目前，常用的仿真工具為Matlab工程軟件。

1．3．3 半實(shí)物仿真測試

飛行控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真測試是指以控制單元、伺服機(jī)構(gòu)實(shí)物產(chǎn)品取代相應(yīng)數(shù)學(xué)模型部分構(gòu)成的仿真系統(tǒng)，進(jìn)行仿真測試。半實(shí)物仿真測試包括定點(diǎn)半實(shí)物仿真測試、全參量半實(shí)物仿真測試和加載半實(shí)物仿真測試。其主要作用是對(duì)系統(tǒng)及其部件的功能進(jìn)行性能分析與檢驗(yàn)，以真實(shí)反映實(shí)物部件動(dòng)態(tài)特性，以及非線性因素對(duì)飛行控制系統(tǒng)的性能影響。半實(shí)物仿真測試系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 半實(shí)物仿真測試系統(tǒng)框圖Fig．3 Block diagram of the semi-physical simulation test system

在半實(shí)物仿真測試狀態(tài)下，仿真測試系統(tǒng)將彈體模型和敏感元件模型用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行編排，再與飛行控制系統(tǒng)控制單元、伺服機(jī)構(gòu)實(shí)物構(gòu)成閉合回路，以模擬彈體運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)彈飛行控制過程、檢驗(yàn)飛行控制器的動(dòng)態(tài)性能。半實(shí)物仿真測試計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)彈體、敏感元件數(shù)學(xué)模型的仿真計(jì)算，以及對(duì)測試指令的發(fā)送、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理等功能。此外，半實(shí)物仿真測試設(shè)備還應(yīng)包括完成信號(hào)通道配置功能的輔助電路，以及對(duì)測試處理結(jié)果進(jìn)行輸出和存儲(chǔ)的輔助儀器。

1．3．4 綜合仿真測試

飛行控制系統(tǒng)綜合仿真測試是指用控制單元、敏感元件和伺服機(jī)構(gòu)實(shí)物組成飛行控制系統(tǒng)產(chǎn)品和測試設(shè)備的測試工作。飛行控制系統(tǒng)綜合仿真測試包括單機(jī)零位測試、系統(tǒng)極性測試、積分漂移測試、系統(tǒng)增益測試等。其主要作用是測試單機(jī)在控制系統(tǒng)中的零位特征影響、單機(jī)組成系統(tǒng)后的積分偏移量、系統(tǒng)增益和極性等重要性能指標(biāo)。綜合仿真測試系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 綜合仿真測試系統(tǒng)框圖Fig．4 Block diagram of the integrated simulation test system

飛行控制系統(tǒng)綜合仿真測試是對(duì)飛行控制系統(tǒng)產(chǎn)品功能和性能的測試。該測試通過對(duì)飛行控制系統(tǒng)產(chǎn)品施加激勵(lì)信號(hào)，檢查各單機(jī)性能指標(biāo)的符合性，以及各單機(jī)連接后系統(tǒng)的匹配性，并考核控制軟件解算的正確性。綜合仿真測試是飛行控制系統(tǒng)產(chǎn)品交付測試的重要組成部分。

2 綜合仿真測試裝置搭建

2．1 系統(tǒng)組成

為了驗(yàn)證飛行控制系統(tǒng)的生產(chǎn)研制質(zhì)量和可靠性，搭建了以仿真測試計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合仿真測試裝置［4］，用于飛行控制系統(tǒng)方案決策和設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段的數(shù)字仿真。該裝置也可用于產(chǎn)品研制階段和交付過程中的半實(shí)物仿真測試、綜合仿真測試等工作。綜合仿真測試裝置首次采用了以仿真測試計(jì)算機(jī)為架構(gòu)的自動(dòng)控制測試技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的自動(dòng)仿真測試。綜合仿真測試裝置的組成根據(jù)接入系統(tǒng)的實(shí)物狀態(tài)不同，可分為數(shù)字仿真狀態(tài)、半實(shí)物仿真測試狀態(tài)和綜合仿真測試狀態(tài)。綜合仿真測試裝置系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 綜合仿真測試裝置系統(tǒng)框圖Fig．5 Block diagram of the integrated simulation test equipment system

圖5中:白色部分為仿真測試設(shè)備;灰色底紋為飛行控制系統(tǒng)被測產(chǎn)品。若在仿真測試計(jì)算機(jī)內(nèi)搭建飛行控制系統(tǒng)所有單機(jī)和導(dǎo)彈彈體數(shù)學(xué)模型，僅使用仿真測試計(jì)算機(jī)即可完成數(shù)字仿真工作。若僅有控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物接入測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的測試，即可完成半實(shí)物仿真測試。若敏感元件、轉(zhuǎn)臺(tái)及其控制單元等飛行控制系統(tǒng)的單機(jī)都接入測試系統(tǒng)，如圖5中的虛線框所示，則可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系統(tǒng)閉環(huán)測試，完成飛行控制系統(tǒng)的綜合仿真測試。

2．2 硬件平臺(tái)

2．2．1 硬件平臺(tái)組成

綜合仿真測試裝置硬件平臺(tái)由綜合仿真測試柜、轉(zhuǎn)臺(tái)及控制部分組成。其中:綜合仿真測試柜包含仿真測試計(jì)算機(jī)(含鼠標(biāo)顯示器)、產(chǎn)品電源、信號(hào)適配單元模塊、產(chǎn)品電纜和打印機(jī)輸出設(shè)備等;轉(zhuǎn)臺(tái)及控制部分包括三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元及其轉(zhuǎn)臺(tái)控制電纜［5］。

2．2．2 綜合仿真測試柜的搭建

根據(jù)數(shù)字仿真和測試的技術(shù)指標(biāo)要求，仿真測試計(jì)算機(jī)選用了ADLINK公司RACK-610酷睿4核工控機(jī)，CPU主頻為2．6 GHz。另外配置的A/D轉(zhuǎn)換器選用NI PCI-6225 M系列多功能數(shù)字信號(hào)采集板卡，信號(hào)輸入范圍為－10～+10 V，分辨率可達(dá)到16位，最大采樣率超過250 K。測試系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換器選用ADLINK PCI-6216V板卡，其信號(hào)輸出范圍為－10～+10 V，分辨率可達(dá)16位。

產(chǎn)品電源選用了安捷倫N5700系列直流電源。它具有輸出電壓穩(wěn)定、紋波小、可在線編程等優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品電源的可在線編程功能用于實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的自動(dòng)通斷電。

信號(hào)適配單元模塊主要包括電源轉(zhuǎn)換與控制切換電路板、信號(hào)匹配轉(zhuǎn)換電路板和檢測電路板等部分［6］。信號(hào)適配單元具有產(chǎn)品電源的通斷控制與檢測、產(chǎn)品信號(hào)采集及控制信號(hào)的輸出、產(chǎn)品通信等功能，并可提供測試設(shè)備二次電源。信號(hào)適配單元是仿真測試計(jì)算機(jī)與被測產(chǎn)品之間的橋梁，在測試設(shè)備中具有重要作用。

2．2．3 轉(zhuǎn)臺(tái)及控制部分的搭建

在進(jìn)行飛行控制系統(tǒng)綜合仿真測試時(shí)，用轉(zhuǎn)臺(tái)模擬敏感元件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)測試。根據(jù)測試技術(shù)指標(biāo)要求，敏感元件需要完成三軸任意角度偏轉(zhuǎn)定位和繞軸最高5 Hz的正弦運(yùn)動(dòng)。自研的三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)上述要求。三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)采用三維CAD設(shè)計(jì)工具Solid Works軟件實(shí)現(xiàn)，并利用該軟件中的COSMOS/Motion插件對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析［7］，獲取最佳實(shí)現(xiàn)方案。

轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元由運(yùn)動(dòng)控制器和轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器采用下位機(jī)控制模式，完成與仿真測試計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程交互通信功能?？刂破飨挛粰C(jī)可通過通信協(xié)議接收測試計(jì)算機(jī)的控制指令，向轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)控制信號(hào)、回采電機(jī)速度反饋信息，從而精確控制速率轉(zhuǎn)臺(tái)的偏置和旋轉(zhuǎn)角速度。轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)功率放大的主軸驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有輸出力矩大、反應(yīng)迅速、控制靈活、噪聲小的特點(diǎn)，并具有安全報(bào)警與保護(hù)等功能。

轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器中安裝有轉(zhuǎn)臺(tái)管理軟件和控制軟件。其中:管理軟件主要用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，顯示轉(zhuǎn)臺(tái)狀態(tài)信息等功能;控制軟件主要用于運(yùn)行轉(zhuǎn)臺(tái)控制算法、采集和輸出控制信息等功能。管理軟件采用LABVIEW語言編寫，具有界面友好、美觀實(shí)用、便于操作的特點(diǎn)，并具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、分析、存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)程通信等功能［8-9］。控制軟件采用C++語言編寫，以保證控制實(shí)時(shí)性。C++語言具有控制周期小的特點(diǎn)。采用C++語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合控制算法以及軟件校正與濾波網(wǎng)絡(luò)，可以保證轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)、靜態(tài)的高精度和良好的波形失真度。

2．3 軟件實(shí)現(xiàn)

測試軟件被裝載在仿真測試計(jì)算機(jī)內(nèi)，對(duì)設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)起關(guān)鍵性作用。其程序采用LabVIEW進(jìn)行編寫［10］。測試軟件主要由數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真測試、綜合仿真測試等軟件組成。測試軟件可根據(jù)設(shè)置的條件，自動(dòng)進(jìn)入相應(yīng)功能，完成操作并輸出測試結(jié)果曲線［11］。測試軟件功能模塊包括測試功能選擇、配置測試通道、模擬信號(hào)并輸出、信號(hào)采集、彈體模型解算、結(jié)果輸出等［12］。測試軟件還可以提供用戶圖形控制界面。測試軟件流程如圖6所示。

圖6 測試軟件流程圖Fig．6 Flowchart of test software

2．4 鑒定與驗(yàn)證

非標(biāo)設(shè)備在使用前必須進(jìn)行鑒定和驗(yàn)證工作。綜合仿真測試仿真裝置的鑒定是指:采用標(biāo)準(zhǔn)儀表采集裝置的輸出、使用信號(hào)源對(duì)裝置進(jìn)行輸入等工作，通過對(duì)設(shè)備輸出輸入數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的比較，鑒定裝置是否滿足技術(shù)要求。綜合仿真測試仿真裝置的驗(yàn)證是指:用綜合仿真測試裝置對(duì)已知指標(biāo)的工藝產(chǎn)品(≥3件)進(jìn)行測試，通過逐一比較測試結(jié)果與已知指標(biāo)，驗(yàn)證裝置是否滿足自動(dòng)完成測試功能。通過對(duì)飛行控制系統(tǒng)綜合仿真測試裝置的鑒定和驗(yàn)證，證明該裝置能滿足設(shè)備技術(shù)要求，完成飛行控制系統(tǒng)的仿真和測試功能，達(dá)到了用戶的使用需求。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)地空導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)仿真測試內(nèi)容，提出了一種飛行控制綜合仿真測試實(shí)現(xiàn)方案和裝置。通過搭建以測試計(jì)算機(jī)為核心的軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)完成飛行控制系統(tǒng)數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真測試、產(chǎn)品綜合仿真測試的功能，并通過了設(shè)備鑒定和驗(yàn)證。該裝置具有測試精度高、重復(fù)性好、易操作等優(yōu)點(diǎn)，在一個(gè)非標(biāo)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了飛行控制系統(tǒng)的3種仿真測試，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)仿真與生產(chǎn)測試交付提供了高效率平臺(tái)。設(shè)備的應(yīng)用滿足用戶的需求，對(duì)降低武器裝備生產(chǎn)測試成本具有重要作用。