基于PLC的某靶彈發(fā)射車調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王天輝，付京來,羅晨

(1.中國人民解放軍91851部隊(duì)，遼寧葫蘆島 125000；2.鄭州機(jī)電工程研究所，河南鄭州 450015)

0 前言

靶彈作為模擬敵方來襲的反艦導(dǎo)彈，為保證安全，對(duì)其飛行精度往往要求較高。某靶彈發(fā)射車通過換裝不同適配支架，能夠?qū)崿F(xiàn)多類型靶彈發(fā)射，為靶彈的飛行提供發(fā)射平臺(tái)和初始指向。為保障靶彈指向精度，對(duì)發(fā)射車的調(diào)平精度也提出了較高的要求，為滿足靶彈的發(fā)射需求，本文作者設(shè)計(jì)一種基于PLC的靶彈發(fā)射車液壓調(diào)平系統(tǒng)。

發(fā)射車支撐可采用支腿單獨(dú)承載(輪胎離地)，或輪胎與支腿共同承載(輪胎不離地)或輪胎單獨(dú)承載等3種方式[1]。因靶彈發(fā)射瞬間沖擊載荷較大，此設(shè)計(jì)采用支腿單獨(dú)承載(輪胎離地)方式，以減少靶彈發(fā)射瞬間和發(fā)射車平臺(tái)的姿態(tài)變化。

1 系統(tǒng)指標(biāo)、組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)的調(diào)平指標(biāo)

根據(jù)某發(fā)射車的使用環(huán)境要求，該發(fā)射車能夠在坡度不大于3°的路面進(jìn)行調(diào)平。調(diào)平后，該發(fā)射車的前后和左右水平度要小于3′。當(dāng)發(fā)射車停留的坡度大于3°時(shí)，發(fā)射車能夠報(bào)警，并提示駕駛員進(jìn)行調(diào)整位置或?qū)Φ孛孢M(jìn)行平整。系統(tǒng)調(diào)平時(shí)間小于3 min，系統(tǒng)調(diào)平后精度保持時(shí)間不小于4 h。

1.2 系統(tǒng)的組成

調(diào)平系統(tǒng)由支撐調(diào)平機(jī)構(gòu)和調(diào)平控制系統(tǒng)組成。支撐調(diào)平機(jī)構(gòu)為調(diào)平系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括4個(gè)調(diào)平支腿、橫展機(jī)構(gòu)、平伸油缸等。調(diào)平控制系統(tǒng)采用成熟的PLC控制，主要由PLC、液壓泵站、閥組、管路、傾角傳感器等組成。在調(diào)平控制系統(tǒng)控制下可實(shí)現(xiàn)發(fā)射車的自動(dòng)調(diào)平[2-3]，保證載車平臺(tái)的姿態(tài)滿足靶彈發(fā)射所需的基準(zhǔn)角度。4個(gè)調(diào)平支腿分別安裝在車底盤前和后部，橫展機(jī)構(gòu)(含油缸)裝載在底盤上，用于增大調(diào)平支腿的橫向跨距，提高發(fā)射平臺(tái)的穩(wěn)定性。調(diào)平控制系統(tǒng)在PLC的控制下工作，傾角傳感器測量載車底盤水平角發(fā)送給PLC，PLC按照調(diào)平控制程序調(diào)節(jié)液壓閥開關(guān)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)發(fā)射車的自動(dòng)調(diào)平[4]。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某發(fā)射車整體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of the launch vehicle

2 系統(tǒng)的工作原理及控制策略

2.1 系統(tǒng)的工作原理

此系統(tǒng)采用“橫展+同步舉升+調(diào)平”的控制策略。橫展是增大發(fā)射車支撐的橫向跨距；同步舉升是4個(gè)調(diào)平液壓支腿同步伸出，使發(fā)射車的輪胎能夠離地。橫展的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為4個(gè)展收液壓缸，同步舉升和調(diào)平執(zhí)行機(jī)構(gòu)是4個(gè)調(diào)平支腿。此系統(tǒng)的調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of the leveling control system

壓力傳感器將支腿的壓力實(shí)時(shí)傳遞給PLC并顯示在人機(jī)界面上，作為虛腿的判斷條件。雙軸傾角傳感器將發(fā)射車橫向和縱向的傾角實(shí)時(shí)傳送至PLC并顯示在人機(jī)界面上，PLC根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)平程序輸出控制信號(hào)，控制電磁閥相應(yīng)地開啟或關(guān)閉，調(diào)平支腿就會(huì)在油泵液壓動(dòng)力和車身重力的作用下，產(chǎn)生向上或向下的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)誤差信號(hào)達(dá)到指定的誤差范圍時(shí)，PLC發(fā)出停止命令，調(diào)平結(jié)束后保持此平衡穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.2 橫展及舉升的控制策略

發(fā)射車的橫展動(dòng)作采用行程開關(guān)控制，當(dāng)PLC收到4個(gè)行程開關(guān)發(fā)出的橫展到位后，停止橫展伸出。

同步舉升的目的主要是發(fā)射車4個(gè)輪胎離地，并保障在調(diào)平過程中，不發(fā)生輪胎觸地現(xiàn)象，因此同步舉升距離要考慮發(fā)射車前后懸掛長度。發(fā)射車上坡狀態(tài)示意如圖3所示。支腿離地距離為L1，前懸掛伸出量為L2，后懸掛伸出量為L3，該發(fā)射車L2>L3，前支腿距離前輪中心距離為L4，地面傾角為α。同步舉升距離L=L1+L2+L4·sinα，支腿伸出速度為v，則同步舉升時(shí)間t=L/v。同理可求得下坡路情況下的同步舉升時(shí)間。

圖3 發(fā)射車上坡狀態(tài)示意Fig.3 Schematic of the launch vehicle uphill state

2.3 調(diào)平控制策略

常用的調(diào)平方法有：逐高法(只升不降，向最高點(diǎn)看齊)、逐低法(只降不升，向最低點(diǎn)看齊)、中心不動(dòng)法(向中間點(diǎn)靠攏)[5-6]。此系統(tǒng)為防止在調(diào)平過程中產(chǎn)生虛腿，采用逐高法來實(shí)現(xiàn)發(fā)射車調(diào)平。

建立調(diào)平數(shù)學(xué)模型如圖4所示，水平面坐標(biāo)系為OX0Y0Z0，與車體固聯(lián)的平臺(tái)坐標(biāo)系為OX1Y1Z1，兩坐標(biāo)系的X軸和Y軸的夾角為雙傾角傳感器輸出的角度值。發(fā)射車調(diào)平的目標(biāo)是平臺(tái)坐標(biāo)平面X1OY1與水平坐標(biāo)系平面X0OY0重合，即夾角α和β為0。根據(jù)兩坐標(biāo)系的夾角符號(hào)，可找到最高支腳，其判別法則如表1所示。

圖4 發(fā)射車調(diào)平的數(shù)學(xué)模型Fig.4 Leveling mathematical model of the launch vehicle

表1 最高點(diǎn)判別法則Tab.1 Rule of the highest point

由于夾角α和β的值比較小，可采用坐標(biāo)系間坐標(biāo)變換理論來求解各支腿的行程[7]。由平臺(tái)坐標(biāo)系OX1Y1Z1向水平面坐標(biāo)系OX0Y0Z0變換，先繞Y軸旋轉(zhuǎn)α角，其變換矩陣[8]為

(1)

保持α不變，繞X軸旋轉(zhuǎn)β角，其轉(zhuǎn)換矩陣為

(2)

由于發(fā)射車平臺(tái)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角γ小到可以忽略不計(jì)[9]，因此坐標(biāo)系OX1Y1Z1向坐標(biāo)系OX0Y0Z0的變換矩陣R=R2·R1為

(3)

(4)

以表1中序號(hào)1情況為例，支點(diǎn)3為最高點(diǎn)，則各支腿升高距離為：e1=Lsinα+Wcosαsinβ、e2=Wsinβ、e3=0、e4=Lcosβsinα，各支腿的總上升時(shí)間t=e/v。支腿的上升速度由液壓的流量控制，當(dāng)液壓流量一定時(shí)，可通過控制各支腿液壓閥的開通時(shí)間來控制支腿的上升距離。

3 調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要由液壓油箱、電機(jī)泵組、手動(dòng)泵、操作閥箱(含調(diào)壓閥組、換向閥閥組)、調(diào)平速度切換裝置、支腿調(diào)平液壓缸、支腿橫展液壓缸等組成。支腿橫展液壓缸主要完成橫展運(yùn)動(dòng)，支腿調(diào)平液壓缸主要完成支腿的舉升和調(diào)平，調(diào)平速度切換裝置主要完成調(diào)平油缸快慢速切換功能。在支腿橫展、舉升、傾角大于20′和撤收過程中都采用快速模式，當(dāng)傾角在20′之內(nèi)采用慢速模式。支腿調(diào)平油缸為雙作用液壓油缸，油缸上集成液控單向閥和平衡閥，能實(shí)現(xiàn)液壓鎖定，并具備因過載或油管爆裂時(shí)油缸位置鎖定功能[10]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)工作過程可分為展開和撤收兩部分，展開工作流程為：啟動(dòng)電機(jī)泵組→系統(tǒng)建壓→調(diào)平支腿展收油缸伸出→支腿調(diào)平油缸快速伸出→支腿調(diào)平油缸調(diào)平→系統(tǒng)卸荷、關(guān)機(jī)。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。撤收工作流程為：啟動(dòng)電機(jī)泵組→系統(tǒng)建壓→支腿調(diào)平油缸快速收回→調(diào)平支腿展收油缸收回→系統(tǒng)卸荷、關(guān)機(jī)。

系統(tǒng)將壓力傳感器的值作為判斷虛腿的條件：當(dāng)同步舉升時(shí)間到時(shí)，壓力值小于設(shè)定值時(shí)，認(rèn)為液壓支腿存在虛腿現(xiàn)象，繼續(xù)同步舉升動(dòng)作，直至壓力值大于設(shè)定值。在調(diào)平過程中，采用逐高法能有效避免在調(diào)平過程中產(chǎn)生虛腿[11]。系統(tǒng)在調(diào)平過程中，先采用粗調(diào)平流程，此時(shí)，傾角大于20′，PLC根據(jù)雙軸傾角傳感器的數(shù)據(jù)，采用逐高法，計(jì)算各個(gè)支腿的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，控制支腿快速伸出。當(dāng)雙軸傾角均小于20′，采用精調(diào)平流程，降低支腿運(yùn)動(dòng)速度，減少發(fā)射車在調(diào)平過程的超調(diào)和振動(dòng)[12]。當(dāng)雙軸傾角均小于3′時(shí)，調(diào)平結(jié)束。

圖5 液壓系統(tǒng)工作流程Fig.5 Work flow of the hydraulic system

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)發(fā)射車調(diào)平的控制精度和穩(wěn)定性，將發(fā)射車停在具有一定坡度的地面，傾角傳感器顯示X軸方向初始角度為2.86°，Y軸方向初始角度為1.67°。利用遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件對(duì)發(fā)射車調(diào)平過程中的傾角變化進(jìn)行記錄如圖6所示。

圖6 調(diào)平過程中雙軸傾角輸出Fig.6 The dual-inclination output in the leveling process

由圖6可以看出：發(fā)射車支腿橫展和同步舉升用時(shí)為65 s，調(diào)平結(jié)束X軸方向的夾角α為2.63′，Y軸方向的夾角β為1.78′，均滿足指標(biāo)(不大于3′)要求，調(diào)平時(shí)間為163 s，滿足調(diào)平時(shí)間的指標(biāo)要求。調(diào)平后保持4 h，X軸方向的夾角α變?yōu)?.76′，Y軸方向的夾角β為1.63′，滿足調(diào)平保持時(shí)間要求。

5 結(jié)束語

文中針對(duì)靶彈發(fā)射的使用要求和指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)某靶彈發(fā)射車調(diào)平系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用擴(kuò)大橫展和同步舉升的方法，有效提高了發(fā)射車的穩(wěn)定性和抗發(fā)射沖擊的能力。通過將壓力、傾角作為控制的雙重反饋量和采用逐高法的調(diào)平控制策略，避免了虛腿現(xiàn)象的出現(xiàn)。在調(diào)平過程中，采用粗調(diào)平和精調(diào)平2種調(diào)平流程，提高了調(diào)平的效率，減小了發(fā)射車的調(diào)平超調(diào)和振動(dòng)，通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了發(fā)射車滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。