某導彈再入空氣舵機單元測試模擬訓練裝備

作者 崔洪亮 火箭軍士官學校(山東 濰坊 262500)

摘要：從分析影響某型號導彈再入空氣舵機單元測試教學訓練效果的制約因素出發(fā)，利用PLC智能控制、機電液一體化技術、虛擬現(xiàn)實等方法，研制了某導彈再入空氣舵機單元測試模擬訓練裝備。介紹了某導彈再入空氣舵機及其工作原理，在此基礎上對系統(tǒng)硬件各功能模塊的設計制作過程進行了闡述，并對系統(tǒng)軟件的設計思路和實現(xiàn)方法進行了說明。試驗結果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可操作性強，減少了動裝用裝次數(shù)，提高了教學訓練效果，可延長導彈武器系統(tǒng)的使用壽命，具有較高的軍事意義和經(jīng)濟效益。

0 引言

　　再入空氣舵機作為導彈控制系統(tǒng)在導彈再入段飛行的執(zhí)行機構，已被用于多種型號的彈道式導彈上，其控制精度和對控制信號的響應速度，對提高導彈的命中精度有很大的影響。對于再入空氣舵機這樣一個結構復雜、儀器精密的導彈武器裝備，涉及電工、液壓和空氣動力學多方面的知識，并且再入空氣舵機在地面測試過程中的通電時間有著嚴格的時間要求限制。目前在火箭軍導彈基層部隊訓練和院校教學過程中，某型號導彈的再入空氣舵機單元測試受通電時間所限，只能依靠教練員的講解加上部分實裝圖片、Flash動畫演示以及短期的操作訓練進行崗位任職技能培訓，這種方式方法已經(jīng)無法滿足火箭軍士官應對實戰(zhàn)化教學訓練的需求，導彈再入空氣舵機操作號手不能直觀地認識和體驗其內(nèi)部部件的連接方式和工作過程，不利于操作號手深化原理、認知裝備的訓練需求，成為制約火箭軍部隊士官操作訓練與院校理論教學的瓶頸問題。為了提高再入空氣舵機測試操作的訓練效果和教學質(zhì)量，延長導彈武器設備的使用年限，研制了基于PLC的某導彈再入空氣舵機單元測試模擬訓練裝備。

1 再入空氣舵機簡介

　　某導彈是我國遂行特定作戰(zhàn)任務要求的殺手锏武器，為了提高突破PAC3愛國者導彈防御能力、提升精確打擊能力，在導彈的再入飛行段，再入空氣舵機通過對彈頭飛行姿態(tài)(俯仰、偏航、滾動)的控制，實現(xiàn)彈頭的機動飛行、景象匹配及克服干擾穩(wěn)定飛行。某導彈再入空氣舵機有4個相互獨立的伺服控制回路，每個控制回路均由閥控作動筒、電液伺服閥、反饋電位計、伺服放大器等組成，再入空氣舵機組成結構框圖如圖1所示。

　　伺服作動器是再入空氣舵機的執(zhí)行元件，將伺服閥輸出的高壓油轉換成具有一定速度的活塞桿的運動并由此帶動空氣舵的擺動;電液伺服閥是舵機液壓系統(tǒng)的轉換和放大元件，將伺服放大器輸出的功率很小的指令信號變換并放大成一定功率的高壓液體油輸入作動器，推動活塞桿運動;反饋電位計是系統(tǒng)的反饋元件，同時也是系統(tǒng)位移輸出的監(jiān)測元件;燃氣渦輪動力裝置根據(jù)控制系統(tǒng)指令，產(chǎn)生高溫、高壓的燃氣流，吹動渦輪轉子高速旋轉，經(jīng)減速器減速帶動油泵轉子旋轉，輸出——定流量——定壓力的液壓油，將渦輪的旋轉機械能轉化為液壓能。

2 再入空氣舵機的基本工作原理

　　導彈彈頭再入大氣層后，根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，產(chǎn)生高溫、高壓的燃氣流，吹動渦輪轉子達到高速旋轉并輸出一定的轉矩和轉速，經(jīng)減速器減速帶動油泵，油泵輸出一定流量和壓力的液壓油至空氣舵機的液壓系統(tǒng)，整個伺服系統(tǒng)處于零位待命狀態(tài)。液壓系統(tǒng)的溢流閥自動調(diào)節(jié)流向控制回路的油液的流量。

　　當彈頭進行程序飛行、景象匹配或克服干擾穩(wěn)定飛行時，控制系統(tǒng)給舵機的四個控制回路發(fā)出相應的指令信號，經(jīng)彈上再入控制放大器的變換放大，成為伺服閥的控制電流，伺服閥根據(jù)指令信號極性和大小，使伺服作動器的活塞桿產(chǎn)生相應的運動并經(jīng)過搖臂帶動空氣舵的舵面擺動。

　　作動器活塞桿帶動反饋電位器作相應的運動，輸出一個正比舵擺角位置的反饋信號，并以負反饋的形式與指令信號進行綜合比較，形成液壓系統(tǒng)的閉環(huán)控制?？諝舛嬖谖恢蒙袭a(chǎn)生相應的控制力矩，改變彈頭的俯仰、偏航或滾轉的姿態(tài)。隨著彈頭姿態(tài)的變化，指令信號不斷地改變，空氣舵擺角在伺服作動器活塞桿的帶動下亦隨著控制指令同步變化，實現(xiàn)了舵面擺動的隨動控制。

3 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

　　根據(jù)某導彈再入空氣舵機單元測試模擬訓練裝備的設計要求，按照“結構仿真、電氣等效、信號模擬、現(xiàn)象一致”的原則，結合該導彈再入空氣舵機及其單元測試的特點和工作原理，利用PLC智能控制、機電液一體化技術、虛擬現(xiàn)實等方法，確定了基于PLC的某導彈再入空氣舵機單元測試模擬訓練裝備的硬件結構，如圖2所示。

　　由圖2不難看出，導彈再入空氣舵機單元測試模擬訓練裝備硬件包含控制回路和能源回路兩個不同回路。其中能源回路的功用是為系統(tǒng)提供一定的液壓壓力，為控制回路的正常工作提供能源，其主要設備有油箱、蓄能器、直流電動機、溢流活門、柱塞泵、安全閥門、油濾組件等。而系統(tǒng)的控制回路是再入空氣舵機控制系統(tǒng)的核心，主要由電液伺服閥、伺服放大器、反饋電位器和作動筒等組成，其作用是為系統(tǒng)提供控制信號，控制能源回路執(zhí)行機構產(chǎn)生相應的動作，反饋回路的作用是檢測能源回路動作，進而判斷整個再入空氣舵機系統(tǒng)能否已按照控制指令完成相應的控制任務。

　　該系統(tǒng)的控制電路采取功能仿真的方法進行設計，使用PLC構成再入空氣舵機單元測試模擬訓練裝備的控制系統(tǒng)。硬件部分的設計主要包括：PLC、驅動板、各設備電路、接口模塊等部分。采用成熟的智能檢測與控制方法，以PLC為核心，配合自主研發(fā)的驅動板和接口板，使系統(tǒng)能夠實時地采集各種反饋信號并及時地輸出相應的控制信號。綜合各子系統(tǒng)不同的功能需求，采取成熟工業(yè)控制技術，設計制作了總線控制板、I/O輸入輸出板、A/D轉換板、電機和數(shù)碼管驅動板等各種功能接口板，完成信號采集、開關量控制、時序控制、電平轉換等功能，并通過驅動板滿足部分器件和電路的功率需求。外圍接口模塊主要結構如圖3所示。

　　再入空氣舵機控制單元測試電路功能模塊主要采用對外接口功能仿真，即利用某導彈再入空氣舵機單元測試模擬訓練裝備可以完成技術陣地再入空氣舵機零位測試、運行時間測試、動態(tài)性能測試、靜態(tài)性能測試等測試項目的測試，對再入空氣舵機的頻率特性、階躍特性、位置特性進行全面的檢測，同時系統(tǒng)能夠實時地檢測再入空氣舵機油面壓力、充氣壓力、液壓油溫度等主要技術指標;結合某導彈再入空氣舵機單元測試流程，通過單元測試模擬軟件，給導彈再入空氣舵機發(fā)送各種控制指令，模擬裝備根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的指令類型結合單元測試進程，模擬單元測試過程中的各種現(xiàn)象，并在測試操作面板上顯示各種狀態(tài)信息。再入空氣舵機單元測試操作面板如圖4所示。

　　PLC綜合處理由再入空氣舵機單元測試模擬訓練裝備發(fā)來的操作控制信號，將操作控制信號發(fā)送到外圍接口設備處理模塊，協(xié)調(diào)各分電路工作，實現(xiàn)各分系統(tǒng)信息同步;同時將相關的控制信號上傳到教學機終端，進行操作訓練監(jiān)控與管理并實現(xiàn)多媒體教學互動。

　　導彈再入空氣舵機單元測試模擬訓練裝備實時接收測試操作控制面板發(fā)送的控制信號，通過串口與上位機進行實時的信號傳遞，實現(xiàn)軟件演示系統(tǒng)同步刷新電路、氣路和液路工作原理演示的功能，可形象、直觀地展現(xiàn)再入空氣舵機各部件結構、工作過程及其連接關系，對操作號手掌握單元測試原理、認知再入空氣舵機結構組成，具有很好的支撐作用。

4 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

　　為了提高編程效率，軟件系統(tǒng)采用了模塊化設計，主要包括主控軟件、通信軟件、故障診斷軟件、虛擬仿真軟件、教學管理軟件等，系統(tǒng)軟件組成框圖如圖5所示。

　　主控軟件：主要是配合相應的硬件電路并進行控制邏輯和操作過程的仿真，完成再入空氣舵機單元測試操作訓練過程中各種信號的采集、計算、輸出。在單元測試操作過程中，根據(jù)號手的操作動作在各顯示界面之間進行跳轉，并完成測試數(shù)據(jù)的自動判讀。控制軟件的控制流程圖如圖6所示。

　　通信軟件：主要完成PLC與上位機以及PLC與各I/O模塊之間通信，為了簡化硬件設計，該系統(tǒng)采用的是RS232串行通信協(xié)議。

　　虛擬仿真軟件：為了提高教學訓練效果，系統(tǒng)采用Unity3D和Flash相結合的方法對系統(tǒng)的工作過程和工作原理進行動態(tài)演示，使操作號手能夠直觀的看到再入空氣舵機單元測試過程中裝備狀態(tài)的變化情況。

　　故障診斷軟件：主要是通過建立故障庫的方法，記錄操作動作，并結合操作流程進行分析判斷，給出測試操作成績，為操作號手的操作等級評定提供事實依據(jù)。

5 結論

　　本文研制的某導彈再入空氣舵機單元測試模擬訓練裝備，硬件上綜合運用了機電液一體化技術、嵌入式智能控制技術和虛擬仿真技術，集成了某導彈再入空氣舵機單元測試的操作訓練功能與理論教學功能，研制完成后的系統(tǒng)如圖7所示。經(jīng)部隊和相關院校試用后，試驗結果表明，該系統(tǒng)可完成某導彈技術陣地再入空氣舵機零位測試、運行時間測試、動態(tài)性能測試、靜態(tài)性能測試等測試項目，解決了再入空氣舵機的頻率特性、階躍特性、位置特性測試過程中存在的工作過程難演示、工作原理難學習、故障現(xiàn)象難仿真等問題，減少了導彈部隊動用實裝訓練的次數(shù)，保證了操作號手教學訓練時間，提高了部隊的訓練效果和院校的教學質(zhì)量。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第7期第66頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。