基于無人靶機分布式供配電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計

蔣夢濤,徐殊凝

(南京模擬技術(shù)研究所,江蘇 南京 210000)

0 引言

無人靶機是指可以模擬各型號飛機和導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)和攻擊過程的飛行器,主要用來為各種導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機、地面防控和雷達設(shè)施的訓(xùn)練和測試提供靶標(biāo),以鑒定武器的性能和訓(xùn)練武器的操作人員,也可用于研究空戰(zhàn)和防空戰(zhàn)術(shù)。目前無人靶機模擬目標(biāo)主要用于檢驗空空/地空武器裝備的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)性能及作戰(zhàn)部隊的訓(xùn)練與演習(xí)。利用遙控或者預(yù)先設(shè)定好的飛行路徑與模式,模擬敵軍航機或來襲導(dǎo)彈,為各類型火炮或?qū)椣到y(tǒng)提供假想的目標(biāo)與射擊的機會,從而對火炮或?qū)椀确揽瘴淦鬟M行鑒定、訓(xùn)練和改進。

飛機供電系統(tǒng)的主要功能是將飛機發(fā)電機產(chǎn)生的電能以不同需求進行處理,然后傳輸?shù)焦╇妳R流條,機載用電設(shè)備則直接從相應(yīng)匯流條中獲取工作所需的電能,并最終確保飛機的正常運行[1]。自動測試系統(tǒng)是指在極少人或無人參與的情況下,可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行自動量測、處理,并以適當(dāng)方式對測試結(jié)果進行顯示和輸出的系統(tǒng)。因其在自動化程度、測試精度、可擴展性及可靠性方面具備顯著優(yōu)勢,在民用設(shè)備設(shè)施、軍用武器裝備等多領(lǐng)域都有廣泛運用[2-4]。無人靶機供配電系統(tǒng)是無人靶機平臺的重要組成部分,機載電源通過供配電系統(tǒng),將電能輸送到無人靶機各分系統(tǒng),供配電系統(tǒng)的工作狀態(tài)與整個無人靶機平臺正常工作也息息相關(guān)。無人靶機機載電氣設(shè)備和任務(wù)設(shè)備種類多數(shù)量多的特性,靶機因為其武器耗材屬性,設(shè)計時需要在低成本與高性能間取得平衡,目前無人靶機普遍沒有對所有設(shè)備的供電狀態(tài)進行系統(tǒng)的檢測,在飛行后期發(fā)生故障后,進行故障分析和故障定位時存在一定困難。

1 供配電系統(tǒng)設(shè)計

1.1 概述

目前無人靶機供配電系統(tǒng)普遍采用分布式供電方式,供配電網(wǎng)絡(luò)主要負責(zé)將電源從機載電池輸送至無人靶機上各系統(tǒng),主要包括飛行控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng),保證所有系統(tǒng)在穩(wěn)定的供電網(wǎng)絡(luò)下正常工作。各系統(tǒng)自行設(shè)置電源隔離模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、電源濾波模塊,確保自身系統(tǒng)的工作不受供配電系統(tǒng)中其他系統(tǒng)的影響。分布式供電方式的供配電系統(tǒng)優(yōu)點突出,系統(tǒng)內(nèi)各用電設(shè)備之間電氣上互不影響,任何用電設(shè)備出現(xiàn)故障,因自身裝載電源隔離模塊,只會將故障限制在自身系統(tǒng)內(nèi)部,不會影響到其他部件的正常工作。分布式供電方式的供配電系統(tǒng)也存在劣勢,即各系統(tǒng)和部件需要裝備自己的子電源系統(tǒng),增加了設(shè)計制造成本,也加大了供配電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的設(shè)計壓力。

本文設(shè)計了一種狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),通過對供配電系統(tǒng)全面地設(shè)置供電采集點和檢測電路,再通過將獲取的數(shù)據(jù)圖形化,可系統(tǒng)、全面和直觀地將供配電系統(tǒng)的工作狀態(tài)呈現(xiàn)在地面觀測人員和操縱人員面前,為供配電系統(tǒng)的實時監(jiān)控提供了全面有效的數(shù)據(jù)界面,也為故障的定位和分析提供了詳細的數(shù)據(jù)支撐。本系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分。硬件部分主要是為獲取數(shù)據(jù)而設(shè)計的電路系統(tǒng),軟件部分是將獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過圖形化處理,將數(shù)據(jù)以圖形界面的形式呈現(xiàn)在遙測界面中。

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

為提升狀態(tài)監(jiān)測的全面性和數(shù)據(jù)追溯的有效性,狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)涵蓋了飛行控制系統(tǒng)、舵機系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)和任務(wù)控制系統(tǒng)等系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,通過各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳感器的布局設(shè)計,結(jié)合在線采集處理器的信號處理,可以將整個供配電系統(tǒng)的完整信息進行采集,確保數(shù)據(jù)的全面性,在出現(xiàn)部件或者系統(tǒng)故障后,可以根據(jù)完整的數(shù)據(jù)包進行故障分析和定位,大幅提升故障歸零的效率。通過系統(tǒng)電纜連接至“在線采集處理器”部件中,不同的檢測數(shù)據(jù)通過不同的檢測電路得到需要采集的數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)值與設(shè)定門限值的邏輯判斷,可以得出哪些部件供電有故障,哪些部件工作不穩(wěn)定,最后綜合起來將整個供配電系統(tǒng)以圖形和數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式直觀呈現(xiàn)出來。

1.2.1 交流電采集電路設(shè)計

交流電主要包含飛機發(fā)動機和發(fā)電機輸出波形信號,發(fā)動機是無人靶機的唯一動力來源,轉(zhuǎn)速信號可以反映出發(fā)動機的工況,有必要進行數(shù)據(jù)采集。發(fā)電機是飛行過程中機載電氣設(shè)備的供電源,和機載電池進行并行冗余供電,發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以也有必要進行數(shù)據(jù)采集。通過采集電路可以計算出交流電的電壓有效值、電流和頻率,進而折算出發(fā)動機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。

1.2.2 直流電采集電路設(shè)計

直流電流通常采用霍爾傳感器進行采集,為了防止霍爾傳感器斷開影響部件的供電,采用冗余設(shè)計,即采用2個霍爾電流傳感器并聯(lián)進行檢測,每個傳感器的額定工作電流須大于該線路的額定工作電流,2個電流采集值代數(shù)相加可以得到該通道的電流值。如果某一個傳感器測得值為零,而另一個傳感器有正常數(shù)值,可以得出該路傳感器失效,系統(tǒng)發(fā)出報警,并標(biāo)識出具體的故障位置和內(nèi)容。這種設(shè)計可以兼顧采集的準(zhǔn)確性和串聯(lián)測量的安全性,提升狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

1.2.3 機載部件的采集電路設(shè)計

每個機載部件的電源輸入端采用傳感器采集電路。采用2個電流傳感器冗余設(shè)計,可以防止因為一個電流傳感器損壞斷路而導(dǎo)致部件掉電。在每個DC-DC輸出端增設(shè)電壓采集,可以得到DC-DC模塊的工作狀態(tài),因為DC-DC都帶有短路保護功能,如果后端輸出為零或者階躍式的電壓跳變,則可以得出“DC-DC故障/DC-DC后端有器件短路”的故障結(jié)論。單部件的供電故障模式通常為過流工作和停止工作,通過電壓值、電流值和電壓跳變曲線,可以推導(dǎo)出部件供電的故障模式,從而提醒地面操縱人員作出正確的決策。

1.3 軟件設(shè)計

故障工作狀態(tài)檢測界面如圖1所示。軟件部分的設(shè)計重點在于將采集得到的詳細數(shù)據(jù),和圖1上的各個具體位置進行匹配,并通過與設(shè)定門限值的比較,將故障信息反映到圖形上。同時軟件需要開通判定門限的人工輸入端口,通過認為調(diào)整判定門限值,來降低狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)誤報率。系統(tǒng)將所有采集得到的數(shù)據(jù)通過圖形和數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式呈現(xiàn)在遙測界面上。如果某部件出現(xiàn)故障,界面上會將具體部件標(biāo)識出來,并將故障信息顯示出來,這樣故障位置和內(nèi)容一目了然(見圖1)。通過這種顯示方式,可以使觀測人員在最短時間內(nèi)獲取最全面的供配電系統(tǒng)數(shù)據(jù),如果出現(xiàn)故障,也可以第一時間知道故障的部件和故障的具體內(nèi)容,便于進行下一步的故障處理。

圖1 故障工作狀態(tài)檢測界面

2 設(shè)計對比

目前無人靶機普遍沒有針對供配電系統(tǒng)的遙測界面,飛行過程中,遙測人員觀測供配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要通過觀測測控軟件主界面中零散的顯示數(shù)據(jù),測控軟件主界面更多的數(shù)據(jù)是關(guān)于控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與圖形,這種遙測界面顯示方式存在供配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)的觀測不及時、不直觀和不全面的弊端,在飛行過程中供配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,地面測控人員無法第一時間獲取信息并做出正確的決策。

本文設(shè)計的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),拓展出一個測控軟件界面,用作供配電系統(tǒng)工作狀態(tài)的界面顯示,可更直觀、更全面、更及時地觀測供配電系統(tǒng)參數(shù),進一步保障飛行安全。結(jié)合門限值的人為可調(diào)設(shè)置,增加了系統(tǒng)的升級和改進空間。

3 結(jié)語

本文對無人靶機供配電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方法進行了闡述,結(jié)合硬件和軟件兩方面進行了全面的技術(shù)分析和設(shè)計,通過與現(xiàn)有技術(shù)的對比,本文設(shè)計的供配電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠更直觀、更全面、更及時地顯示出無人靶機供配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù),結(jié)合圖形化的呈現(xiàn)方式,能夠提升無人靶機供配電系統(tǒng)監(jiān)測的智能化,提升無人靶機飛行的安全性。

本文涉及的系統(tǒng)只涉及故障檢測技術(shù),今后可以加入SSPC(固態(tài)功率控制器)等執(zhí)行模塊,依托人工智能專家系統(tǒng)進行邏輯推導(dǎo),確定設(shè)備與系統(tǒng)的故障,并嘗試進行故障的修復(fù)。同時專家系統(tǒng)還具有繼續(xù)獲取知識的功能,即自學(xué)習(xí)功能,能夠從系統(tǒng)的運行經(jīng)驗中不斷總結(jié)新知識,自動使知識庫得到豐富和更新,從而使系統(tǒng)對故障的診斷能力隨經(jīng)驗的增長而不斷提高[5]。同時可考慮在現(xiàn)實界面加入虛擬儀器技術(shù),增加人機交互的真實性。虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,為測試平臺的搭建提供了一種新的手段,已然成為測試平臺研究的一個熱點內(nèi)容[6]。