某型導(dǎo)彈自動駕駛儀動態(tài)測試系統(tǒng)的設(shè)計

作者 周金芳 李興鶴 陳浩 薛征 上海航天控制技術(shù)研究所(上海 201109)

摘要：為了滿足某型號導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)自動駕駛儀的動態(tài)測試要求，分析了該自動駕駛儀的測試需求，設(shè)計了自動駕駛儀單通道定點半實物仿真試驗測試系統(tǒng)。本文介紹了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)及功能，應(yīng)用LabVIEW軟件編寫測試程序，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集、處理和保存等功能。實驗結(jié)果表明，該動態(tài)測試系統(tǒng)操作方便、擴展性能強，完全能滿足動態(tài)自動駕駛儀的測試需求。

引言

　　現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜，要求機動性越來越高，目標(biāo)打擊越來越準(zhǔn)。導(dǎo)彈是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭必不可少的武器，研究導(dǎo)彈的控制技術(shù)，提高導(dǎo)彈的機動作戰(zhàn)性能，顯得尤為重要。作為導(dǎo)彈的主要控制測試設(shè)備的自動駕駛儀的完善和優(yōu)良程度具有重要作用。隨著某型號導(dǎo)彈的改進和大量使用，要求被測信號通道數(shù)增多、波形復(fù)雜、判讀精度高，傳統(tǒng)的測試臺操作復(fù)雜、誤差大、成本高，有必要針對某型號導(dǎo)彈研制一套智能化水平高的、能夠測試動態(tài)性能(或稱半實物仿真試驗)的導(dǎo)彈自動駕駛儀。

1 自動駕駛儀動態(tài)測試系統(tǒng)的總體設(shè)計

　　自動駕駛儀動態(tài)性能測試(或稱半實物仿真試驗)是將彈體模型、敏感元件用計算機軟件編排，與彈上計算機(即數(shù)字控制器)和舵機艙(即伺服執(zhí)行機構(gòu))實物構(gòu)成閉合回路，模擬彈體運動和自動駕駛儀穩(wěn)定控制過程，以檢驗駕駛儀動態(tài)性能。

　　導(dǎo)彈自動駕駛儀動態(tài)測試系統(tǒng)由硬件和軟件兩個部分組成。其主要作用是對導(dǎo)彈駕駛儀的物理參數(shù)進行采集、處理和記錄，以數(shù)字和圖像等方式顯示測試和處理結(jié)果，并具有一定的故障診斷能力。

　　根據(jù)測試需求和“功能夠用”原則^[1]，首先確定測試需求和進行需求分析，確定總體方案。在此基礎(chǔ)上，選擇采集設(shè)備和接口設(shè)備，組建硬件系統(tǒng)并合理配置系統(tǒng)資源，對測試設(shè)備與被測件之間的接口進行適配調(diào)試;待硬件系統(tǒng)搭建完成并調(diào)試正常時，進行軟件編程及調(diào)試;最后對整個測試系統(tǒng)進行測試。系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。

　　整個系統(tǒng)采用臺式結(jié)構(gòu)，基本分為三個模塊部分：工控機、控制組合和電源系統(tǒng)。工控機模塊含有A/D、D/A、DIO以及軟件;控制組合模塊包括隔離板、一級加電保護模塊、二級加電保護模塊、增益模塊、面板上各種接插件轉(zhuǎn)接組合、交/直流電壓/電流測量模塊等;電源模塊是供給產(chǎn)品的直流電源。本系統(tǒng)的原理組成如圖2。

2 導(dǎo)彈的數(shù)學(xué)模型

　　為了能將系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在計算機上進行系統(tǒng)仿真，必須先將系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為計算機上進行計算求解的仿真模型。隨著控制系統(tǒng)仿真理論的日趨完善，轉(zhuǎn)換的方法也日趨繁多，在工程應(yīng)用中，彈體模型的轉(zhuǎn)換方法常用的是四階龍格-庫塔法^[3]。下面具體介紹轉(zhuǎn)換的方法及應(yīng)用。

　　2.1 方法說明

　　四階龍格-庫塔的計算公式為：

　　式(2-2)也可用數(shù)值積分法來計算，即對于第一式，可將看作f(t1,x1,x2,…,xn,u)。當(dāng)已知x1,x2,…,xn的初值及u(t)后，就可求出x1,x2,…,xn隨時間變化的整個過程。

3 動態(tài)測試系統(tǒng)的設(shè)計

　　3.1 硬件實現(xiàn)

　　測試系統(tǒng)硬件主要包括兩部分，一個是實時測試數(shù)據(jù)采集工控機，另一個是電源采集模塊。

　　1) 仿真計算機的選用

　　仿真計算機的底板采用Adlink公司的HPCI-14S12U，該底板擁有12個PCI插槽。CPU板采用NuPRO-841，該板支持Pentium 4處理器，最高3.06GHz。內(nèi)存2GB ，多功能打印機采用HP LaserJet 1020。

　　2) A/D卡的選擇

　　A/D卡選用ADLINK公司的PCI-9118。此卡的主要參數(shù)如下：

　　a.通道數(shù)目16(選用2塊);b.采樣的數(shù)據(jù)位數(shù)：16bit;c.采樣速率330kS/s。

　　3) D/A卡的選擇

　　D/A卡選用ADLINK公司的PCI-6216。此卡的主要參數(shù)如下：

　　a. 通道數(shù)目：16路(選用2塊); b. 輸出的數(shù)據(jù)位數(shù)：16bit。

　　4) DIO計時卡的選擇

　　選擇ADLINK公司的PCI-9112，帶有20MHz的晶振計時功能。通道數(shù)目：16DIO路(選用兩塊)。

　　5) 直流電源的設(shè)計

　　按照系統(tǒng)要求，將所有的直流電源設(shè)計制作在一個箱體中，形成電源模塊。

　　6) 信號增益/衰減板的設(shè)計

　　為了保護產(chǎn)品和數(shù)據(jù)采集卡，對輸入和輸出信號進行合理的放大或衰減。增益的倍數(shù)在0.1～5。

　　3.2 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　測試系統(tǒng)選用Windows XP操作系統(tǒng)，軟件的編程和運行環(huán)境采用microsoft公司的visual C++6.0，主要完成舵指令、舵偏角等信號的采集、彈體模型解算、發(fā)送指令給彈上機、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)判讀、生成報表等功能。

　　軟件的解算方法采用二階龍格庫塔法。

　　測試程序應(yīng)采用中文界面，具有良好的交互性;采樣周期及算法應(yīng)保證測試的實時性和穩(wěn)定性。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計有性能測試、故障診斷、回放系統(tǒng)，軟件設(shè)計開發(fā)采用模塊化設(shè)計思想和自頂向下的方法，界面友好、操作簡單方便。其測試流程如圖3所示。

　　為了提高測試效率，在實際測試中，系統(tǒng)將每個測試流程劃分為若干個測試步驟。這樣，一個復(fù)雜的測試過程就可以通過多個不同的測試步驟加載來完成，從而充分利用了測試設(shè)備的內(nèi)存空間，大大提高了測試速率和效率。

　　本系統(tǒng)有彈上計算機與舵系統(tǒng)的模型，在界面中以打勾的方式可選，在半實物仿真中，操作人員可任意搭配彈上計算機與舵系統(tǒng)的模型，以及彈上計算機與舵系統(tǒng)的實物進行動態(tài)性能試驗，以驗證結(jié)果。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與驗證

　　為了驗證本系統(tǒng)的可行性與實用性，我們建立起了一個某型導(dǎo)彈動態(tài)自動駕駛儀測試實驗的開發(fā)平臺。自動駕駛儀動態(tài)測試系統(tǒng)整體是由控制組合、電源系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、操作臺等組成，整個系統(tǒng)全部通過測試軟件來進行計算機輔助測試，自動駕駛儀的動態(tài)測試系統(tǒng)主要用來測試自動駕駛儀的動態(tài)特性，主要由測試軟件和“控制組合”以及“電源組合”來完成整個測試過程，測試系統(tǒng)如圖4所示。

　　自動駕駛儀動態(tài)測試系統(tǒng)的軟件界面如圖5所示，測試的曲線和報表顯示如圖6所示，電源自檢測試系統(tǒng)示意圖如圖7，要求測試的物理量的采樣曲線完全準(zhǔn)確地反映出某型導(dǎo)彈的實際性能，要求測試的一些性能參數(shù)以數(shù)字的形式進入報表，用于保存和打印。本測試系統(tǒng)采用自動判讀方式，解放人工，降低人為誤差，提高了效率。

5 關(guān)鍵技術(shù)

　　1)Windows XP下實現(xiàn)實時仿真

　　由于此系統(tǒng)的仿真時間間隔要求(≤1ms)，無法使用PC機內(nèi)部的定時器。故利用計時卡上的定時器，計時卡上可提供給用戶自由使用的定時器，編程能夠達到微秒級的系統(tǒng)定時。這樣可滿足此仿真測試系統(tǒng)的要求。這個關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)在某型自動駕駛儀動態(tài)測試系統(tǒng)中使用過，并且工作狀態(tài)很穩(wěn)定。

　　2)各通道彈體數(shù)學(xué)模型及敏感元件模型的解算方法

　　為了滿足精度的要求，所有模型的狀態(tài)方程的解算方法均采用二階龍格庫塔法。

　　3)A/D輸入信號和D/A輸出信號的增益/衰減板

　　采用成熟的模塊化信號調(diào)理技術(shù)設(shè)計的電路完全可以滿足系統(tǒng)提出的要求。

6 總結(jié)

　　本文設(shè)計的自動駕駛儀測試系統(tǒng)完成了對某型導(dǎo)彈的性能測試，結(jié)果表明，測試的結(jié)果能準(zhǔn)確反應(yīng)導(dǎo)彈的實際性能，其余狀態(tài)參數(shù)指標(biāo)均在要求的范圍，且多次測量穩(wěn)定，由于保密原因在此不做結(jié)果具體分析。此測試系統(tǒng)滿足測試系統(tǒng)的性能和設(shè)計要求，充分說明了該自動駕駛儀的設(shè)計突出簡單而有效的結(jié)果。

參考文獻：

　　[1]陳樹學(xué),劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

　　[2]李新國,方群.有翼導(dǎo)彈飛行動力學(xué)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2004:4-48.

本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第56頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。