某型自動操舵系統(tǒng)綜合模擬運行平臺設(shè)計與實現(xiàn)?

姜海軍 李方能

（1.海軍四八〇五工廠象山修船廠 寧波 315700）（2.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）

1 引言

操舵控制系統(tǒng)是潛艇運動控制系統(tǒng)的一級子系統(tǒng)，在潛艇中具有十分中重要的地位，操舵系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問題將導(dǎo)致潛艇停航，因此操舵系統(tǒng)的維修調(diào)試至關(guān)重要［1］。

目前國內(nèi)已建成基于PID控制的自動操舵系統(tǒng)中修修理線，某型自動操舵系統(tǒng)相較基于PID控制的自動操舵系統(tǒng)，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本不變的基礎(chǔ)上，采用了大量先進(jìn)技術(shù)，控制部分、電源部分等核心分機(jī)進(jìn)行了大幅升級，由機(jī)電控制發(fā)展為計算機(jī)控制，自動化和集成度高［2］。具體體現(xiàn)為：核心板件由原來以模擬電路為主發(fā)展為以計算機(jī)集成電路為主，板件的集成度和技術(shù)含量很高，多數(shù)帶有程序控制?？刂品椒ㄓ蓚鹘y(tǒng)PID控制發(fā)展為融自適應(yīng)控制、海浪濾波、參數(shù)預(yù)測于一體的現(xiàn)代控制。

為解決大型水下航行器實際試驗環(huán)境搭建的困難，同時為了滿足操舵控制系統(tǒng)檢修試驗的需求，半實物仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于操舵控制系統(tǒng)的開發(fā)測試和檢修中，半實物仿真在條件允許的情況下盡可能在仿真系統(tǒng)中接入實物，以取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型，從而得到更確切的信息［3］。水下航行器的半實物仿真試驗?zāi)軌蚪鉀Q大型水下航行器實際試驗環(huán)境搭建的困難，同時滿足操舵控制系統(tǒng)開發(fā)測試的需求［4］。

然而不同型號的操舵系統(tǒng)，其特性不同，適用的潛艇型號不同，潛艇運動模型也有所不同［5］。本文介紹的某型自動操舵系統(tǒng)綜合模擬運行平臺采用半實物仿真技術(shù)，針對某型自動操舵系統(tǒng)的系統(tǒng)特性及潛艇運動特性進(jìn)行設(shè)計，將模擬運行平臺與某型自動操舵系統(tǒng)的中央控制臺對接，接收中央控制臺的各種控制信號，模擬外圍舵機(jī)伺服系統(tǒng)及潛艇的運動響應(yīng)，并向中央控制臺反饋各種導(dǎo)航信號及操舵系統(tǒng)狀態(tài)信號，從而構(gòu)成某型自動操舵系統(tǒng)陸基條件下的實艇工作環(huán)境。

2 總體設(shè)計

一個完整的潛艇航向、深度、縱傾控制系統(tǒng)是一個由操舵控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、舵裝置、導(dǎo)航系統(tǒng)、指控系統(tǒng)、潛艇集中控制系統(tǒng)、潛艇艇體等系統(tǒng)（裝置）組成的一個動態(tài)閉環(huán)控制系統(tǒng)［6］。某型潛艇操舵閉環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

某型自動操舵系統(tǒng)中央控制臺是信息處理中心和主要操作部位，可進(jìn)行“自動”、“隨動”和“應(yīng)急”等三種方式的操縱。它接收操舵人員指令、導(dǎo)航信號及實際舵角信號，控制由“電液閥-液壓舵機(jī)-反饋機(jī)構(gòu)”構(gòu)成的舵伺服系統(tǒng)動作，實現(xiàn)對潛艇航向、下潛深度及縱傾的集中控制。

圖1 潛艇操舵閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

除了構(gòu)成舵角、航向、深度、縱傾的閉環(huán)控制回路外，中央控制臺還需要進(jìn)行多個舵機(jī)的選擇控制、收-推舯舵控制并接收相應(yīng)的反饋信號構(gòu)成舵液壓機(jī)控制回路。

由某型自動操舵系統(tǒng)組成以及該系統(tǒng)與整個潛艇運動控制系統(tǒng)的關(guān)系出發(fā)，并考慮某型自動操舵系統(tǒng)陸基維修調(diào)試的實際需求，研制的運行平臺由潛艇運動信號模擬器、舵伺服系統(tǒng)模擬器和接線柜組成。運行平臺原理組成框圖如圖2所示。

圖2 運行平臺原理組成框圖

圖中帶陰影的實線框設(shè)備為運行平臺組成設(shè)備。運行平臺各組成部分的基本功能分析如下：

1）潛艇運動模擬器

用于接收或采集舵角，模擬潛艇運動，并向中央控制臺輸出綜合導(dǎo)航系統(tǒng)、傾角傳感器、深度傳感器、指控系統(tǒng)等潛艇運動信號，從而為中央控制臺實現(xiàn)航向、傾角及深度的自動控制構(gòu)成潛艇運動信號的閉環(huán)反饋［7］。

2）舵伺服系統(tǒng)模擬器

舵伺服系統(tǒng)模擬器由方向舵伺服系統(tǒng)模擬單元、艉升降舵伺服系統(tǒng)模擬單元、舯升降舵伺服系統(tǒng)模擬單元以及艦橋控制臺模擬單元組成［8］。舵伺服系統(tǒng)模擬器與中央控制臺連接，可以構(gòu)成多個閉環(huán)控制回路，具體包括：構(gòu)成舵角隨動控制回路、構(gòu)成工作舵機(jī)選擇閉環(huán)回路、構(gòu)成收/推舯舵閉環(huán)回路及模擬輸出艦橋控制臺的方向舵隨動控制信號。

3）接線柜

接線柜主要由接線排、繼電器、二極管及轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。其基本功能為信號切換和信號轉(zhuǎn)接。

信號切換：通過轉(zhuǎn)換開關(guān)，實現(xiàn)比例閥控制信號、舵角反饋信號在“模擬器”和“實裝”兩種工作模式下的切換。

信號轉(zhuǎn)接：由于中央控制臺輸入輸出信號很多，多數(shù)電纜連接器及電纜通過的信號來自多個不同設(shè)備，因此通過接線柜進(jìn)行轉(zhuǎn)接后再與中央控制臺連接，此外還通過續(xù)流二極管對直流電壓進(jìn)行保護(hù)。需要通過接線柜轉(zhuǎn)接的信號包括舵機(jī)選擇控制信號、舯舵收推控制信號及舵機(jī)狀態(tài)信號。

3 硬件設(shè)計

3.1 操縱臺硬件設(shè)計

操縱臺主要組成設(shè)備包括：工控機(jī)、液晶顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、通信卡和轉(zhuǎn)換器。操縱臺計算機(jī)系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。

圖3 操縱臺計算機(jī)系統(tǒng)組成圖

1）工控機(jī)

選用研華IC-510型19標(biāo)準(zhǔn)上架工業(yè)控制計算機(jī)。配置為：主頻2.7GHzINTEL雙核處理器、頻率800MHz的 2G 內(nèi)存、全漢 FSP250-60ATP（PF）型250W穩(wěn)壓電源、NVIDIA GeForce GT 520獨立顯卡，支持雙顯示器顯示。

2）1553B通信卡

作為總線控制器（BC），模擬輸出綜合導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送至某型自動操舵系統(tǒng)的綜合導(dǎo)航信號。選用北京神州飛航開發(fā)的基于PCI總線接口的AEC1553-PCI-SBC31RT-S2型1553B通訊卡，該卡采用FPGA設(shè)計，可分時工作在BC、RT和MT模式下；采用單通道雙冗余數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，支持32位時標(biāo)，分辨率1μs；支持大容量數(shù)據(jù)存儲（16M×16bit）。

3）多串口轉(zhuǎn)換器

工控機(jī)USB口通過多串口轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)8路串口的擴(kuò)展。實際使用7個串口，用于向信號貴制定信號模擬單元發(fā)送數(shù)據(jù)以及接受舵伺服系統(tǒng)模擬器的輸出信息等。

3.2 信號柜硬件設(shè)計

信號柜由深度傳感器模擬單元、傾角傳感器模擬單元、指控系統(tǒng)模擬單元、舵角反饋采集單元、綜合電源單元以及外部電源指示單元組成。各單元采用抽屜通過滑動導(dǎo)槽分層安裝在立式機(jī)柜內(nèi)。并在機(jī)柜上配置了鍵盤和LCD屏，鍵盤用于裝訂參數(shù)、信號源模式選擇等

3.2.1 傳感器模擬單元設(shè)計

傳感器模擬單元包括深度傳感器模擬單元、傾角傳感器模擬單元、指控系統(tǒng)模擬單元、舵角反饋采集單元，電路采用高性能單片機(jī)測控電路實現(xiàn)。采用高性能C8051F340單片機(jī)為MCU。該單片機(jī)集成了豐富的硬件資源，是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。最高主頻達(dá)48MIPS，提供高精度內(nèi)部晶振，提供2個10位AD，2 UART、USB、SPI等多種接口，通過交叉開關(guān)可對IO口靈活配置，PCA模塊可實現(xiàn)高精度PWM信號輸出和捕獲。該單片機(jī)配合少量外圍接口電路，即可實現(xiàn)測控系統(tǒng)的常用功能。

四個信號單元的面板布局基本相同。面板左側(cè)為電源開關(guān)。LED指示板上有多個LED指示燈，提供電源、通信、激磁指示，安裝在面板左側(cè)背面。面板中央為LCD屏，右側(cè)為小鍵盤。對于指控系統(tǒng)模擬單元和舵角反饋采集單元在LCD屏下方增加了激磁開關(guān)，用于控制外部激磁是否接入信號單元。

下面以深度傳感器模擬單元為例說明傳感器模擬單元工作原理。

深度傳感器模擬單元用以模擬輸出兩個深度傳感器的潛艇下潛深度信號。

如圖4所示，深度傳感器模擬單元主要由深度信號發(fā)送板、LED顯示板、小鍵盤、LCD組成。深度信號發(fā)送板采用兩片C8051F340單片機(jī)，一片為主單片機(jī)，一片為RS485通信單片機(jī)。主單片機(jī)通過MAX232提供2路RS232C接口，分別用于與操縱臺計算機(jī)及LCD屏通信。兩片單片機(jī)通過IO口通信，即主單片機(jī)通過8位IO口向通信單片機(jī)發(fā)送計算的深度碼值，通信單片機(jī)通過兩根IO線將兩個RS485通道的通信狀態(tài)回傳給主單片機(jī)。通信單片機(jī)通過兩片隔離RS485收發(fā)器ADM2587E輸出2路深度RS485信號給中央控制臺。

圖4 深度傳感器模擬單元電路原理圖

3.2.2 綜合電源單元

綜合電源單元用以向各信號單元提供電源，根據(jù)各信號單元的電源規(guī)格向其提供所需的電源。

3.2.3 外部電源指示單元

用于顯示外部輸入電源的電壓值，包括：

1）中央控制臺向深度傳感器供電電壓指示

采用35W100Ω電阻模擬電源箱中央控制臺向深度傳感器供電（DC27V）的負(fù)載，并采用兩個數(shù)字電壓表HB5135B顯示其輸出實際電壓值，測量范圍為0～199.9V，測量精度為0.4V，顯示分辨率為0.1 V。數(shù)字電壓表由AC-DC5V/2A電源模塊供電。

2）舵角反饋激磁指示

采用3個交流數(shù)字電壓表DHC6P-A/V顯示中央控制臺輸出給舵角反饋機(jī)構(gòu)（方向舵、艉升降舵、舯升降舵）的激磁電壓值。量程20V，測量范圍（10%～100%）×量程，測量精度0.1V，顯示分辨率為0.01V。電壓表由外部220V/50Hz供電。

3）指控系統(tǒng)激磁指示

采用交流數(shù)字電壓表DHC6P-A/V顯示中央控制臺輸出給指控系統(tǒng)的建議航向激磁電壓值。測量精度和顯示分辨率同舵角反饋激磁單元。電壓表由220V/50Hz供電。

4 軟件設(shè)計

潛艇運動模擬器軟件包括操縱臺主控機(jī)軟件和各信號單元的單片機(jī)軟件。

主控機(jī)軟件主要完成潛艇運動的模擬，而潛艇運動模擬的基礎(chǔ)是潛艇運動模型。各信號單元軟件主要實現(xiàn)信號單元按實際協(xié)議向某型自動操舵系統(tǒng)中央控制臺發(fā)送信

4.1 潛艇運動建模

為滿足自某型自動操舵系統(tǒng)維修調(diào)試需要，應(yīng)建立反映其適用的某型潛艇基本運動規(guī)律、復(fù)雜程度適中的數(shù)學(xué)模型，以實現(xiàn)逼真度、實時性、實用性等各方面的有機(jī)統(tǒng)一。

采用葛特勒（M.Gertler）方程為原始母型方程，將潛艇運動分解為水平面運動和垂直面運動，分別建立潛艇的水平面運動和垂直面運動模型［9］。建立潛艇運動動力學(xué)和運動學(xué)的線性方程，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)引俄潛艇的基本參數(shù)，對模型中相應(yīng)的水動力系數(shù)進(jìn)行近似估算，最終得到潛艇六自由度運動模型。在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真試驗［10］。

1）動態(tài)仿真

基于建立的某型潛艇運動模型進(jìn)行潛艇運動的動態(tài)仿真，觀察穩(wěn)定回轉(zhuǎn)運動、潛浮運動、縱搖橫搖運動的縱橫傾、縱橫搖角變化曲線的變化規(guī)律。

2）穩(wěn)態(tài)仿真

基于模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，進(jìn)行有縱傾等速直線定深運動和定常平面回轉(zhuǎn)運動試驗，將實際觀測數(shù)據(jù)與隨艇資料曲線進(jìn)行比對，仿真曲線與隨艇資料“某型潛艇操縱性條令”中給出的曲線基本吻合。

4.2 主控機(jī)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是整個模擬器設(shè)計的關(guān)鍵，操縱臺軟件按功能模塊劃分可分為圖5所示的6個模塊。

圖5 操縱臺軟件功能模塊圖

1）人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊主要實現(xiàn)以下功能：運動模擬設(shè)置、初始參數(shù)裝訂、實時參數(shù)和圖形顯示和運行控制（開始、暫停、停止），運行界面如圖6、圖7所示。

圖6 潛艇運動模擬器軟件界面（左屏）

2）潛艇運動計算模塊

潛艇運動計算模塊完成潛艇運動參數(shù)的計算，包括：

在操舵運動模式下，基于某型潛艇的操縱運動模型，根據(jù)當(dāng)前舵角計算當(dāng)前航向、航速、縱傾、橫傾和下潛深度等運動參數(shù)。

圖7 潛艇運動模擬器軟件界面（右屏）

在設(shè)定運動模式下，基于潛艇運動學(xué)方程，根據(jù)設(shè)定的運動速度，計算當(dāng)前航向、航速、縱傾、橫傾和下潛深度等運動參數(shù)［11～12］。

3）綜合導(dǎo)航信號模擬模塊

按照MIL-STD-1553B接口通訊標(biāo)準(zhǔn)向中央控制臺發(fā)送綜合導(dǎo)航數(shù)據(jù)，采用時分制、指令/響應(yīng)型異步傳輸方式，數(shù)據(jù)碼為曼徹斯特II碼。數(shù)據(jù)更新頻率：20次/秒，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括航向、航速、縱傾、橫傾等導(dǎo)航參數(shù)及有效性標(biāo)志字。綜合導(dǎo)航通信軟件流程如圖8所示。

圖8 綜合導(dǎo)航1553B通信軟件流程圖

4）串口通信模塊

實現(xiàn)操縱臺計算機(jī)與信號柜各單元MCU、舵伺服系統(tǒng)模擬器計算機(jī)之間的串口通信。具有通信自檢、通信狀態(tài)監(jiān)測、通信數(shù)據(jù)查看功能，通信模塊調(diào)用Pcomm軟件包函數(shù)，實現(xiàn)操縱臺工控機(jī)與信號柜之間的串口通信。采用中斷方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，保證數(shù)據(jù)實時性。按照數(shù)據(jù)格式，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行容錯處理，保證通信的可靠性。通信軟件模塊的流程如圖9所示。

圖9 串口通信軟件流程圖

5）曲線繪制及文件管理模塊

實時繪制潛艇運動參數(shù)曲線和舵角曲線，并可保存曲線數(shù)據(jù)。用戶可查看參數(shù)數(shù)據(jù)文件，也可通過打開數(shù)據(jù)文件，繪制歷史曲線。

4.3 信號單元軟件設(shè)計

4.3.1 工作模式

信號柜各單元中，深度傳感器模擬單元、傾角傳感器模擬單元、指控系統(tǒng)模擬單元及舵角反饋采集單元采用單片機(jī)控制。各信號單元的單片機(jī)與操縱臺計算機(jī)構(gòu)成了分布式計算機(jī)系統(tǒng)。操縱臺主控計算機(jī)作為上位機(jī)，信號單元單片機(jī)作為下位機(jī)。

4.3.2 軟件模塊設(shè)計

各信號單元單片機(jī)軟件采用C51語言編程，在Keil uVision3集成開發(fā)環(huán)境下調(diào)試開發(fā)。按模塊化設(shè)計，各單元軟件模塊如表1所示。

表1 信號單元軟件模塊組成

1）鍵盤指令處理模塊

用于接收鍵盤輸入的各種指令和參數(shù)。包括“操縱臺/自主”信號源模式切換，在自主模式裝訂參數(shù)等。參數(shù)裝訂采用固定格式。各傳感器模擬單元在鍵盤指令處理模塊裝訂所需數(shù)據(jù)。

2）LCD顯示模塊

進(jìn)行參數(shù)和狀態(tài)顯示，刷新率1次/秒。LCD模塊主要顯示信號源模式、系統(tǒng)狀態(tài)、參數(shù)值等信息，并給出當(dāng)前可操作命令鍵提示、輸入出錯提示。

3）RS232C通信模塊

用于接收來自操縱臺的參數(shù)和通信自檢指令，并向操縱臺回復(fù)相關(guān)數(shù)據(jù)。

各信號單元單片機(jī)能接收操縱臺計算機(jī)的通信自檢指令，并立即回復(fù)；在“自主”模式下，各信號單元仍向操縱臺計算機(jī)反饋當(dāng)前發(fā)送的參數(shù)及相關(guān)狀態(tài)，從而實現(xiàn)了操縱臺對各信號單元的通信狀態(tài)、參數(shù)及其它狀態(tài)（如有無激磁）的監(jiān)測。

4）參數(shù)計算模塊

用于在“自主”裝訂方式下，按設(shè)定的初始參數(shù)和變化速度計算當(dāng)前參數(shù)。

5）RS485通信模塊

用于采用RS485向某型自動操舵系統(tǒng)中央控制臺發(fā)送導(dǎo)航參數(shù)。

深度傳感器模擬單元：在收到中央控制臺請求指令后向中央控制臺發(fā)送2路RS485下潛深度數(shù)據(jù)。

傾角傳感器模擬單元：向中央控制臺連續(xù)發(fā)送1路RS485縱傾數(shù)據(jù)。

6）信號處理模塊

指控系統(tǒng)模擬單元：將建議航向ψr轉(zhuǎn)換成數(shù)字/軸角轉(zhuǎn)換模塊對應(yīng)的14位碼值D。

舵角反饋采集單元：同時采集激磁電壓UR和信號電壓UXX，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為舵角值。

5 結(jié)語

本文提出的某型潛艇某型自動操舵系統(tǒng)綜合模擬運行平臺采用半實物仿真技術(shù)，解決了某型自動操舵系統(tǒng)中修線的技術(shù)難題，與中央控制臺、電源箱等分機(jī)對接，構(gòu)成了某型潛艇某型自動操舵系統(tǒng)維修調(diào)試的陸基閉環(huán)系統(tǒng)。該運行平臺功能齊全、使用方便，很大程度上降低了某型自動操舵系統(tǒng)的檢修成本，充分考慮各層次維修調(diào)試的實際需要，各項性能指標(biāo)完全滿足某型自動操舵系統(tǒng)各種等級修理的需要。該運行平臺投入使用后將為某型自動操舵系統(tǒng)形成國內(nèi)自主保障能力發(fā)揮重要作用，產(chǎn)生顯著的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。