水下航行器仿真系統(tǒng)數(shù)字化和一體化

　　引　言

　　眾所周知，航行器半實(shí)物仿真的主要優(yōu)點(diǎn)是：①可使無(wú)法準(zhǔn)確建立數(shù)學(xué)模型的實(shí)物如自動(dòng)駕駛儀直接進(jìn)入仿真回路；②通過(guò)模型和實(shí)物之間的切換，進(jìn)一步校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型；③直接檢驗(yàn)控制系統(tǒng)各部分功能。因而，西方各國(guó)都投入了巨大的人力物力建設(shè)各種航行器半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室，早在六十年代，美國(guó)、日本就開展了水下航行器半實(shí)物仿真的研究工作。如何提高半實(shí)物仿真系統(tǒng)的精度，一直是國(guó)內(nèi)外仿真工作者著力解決的課題之一。為此,本文設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)字化、一體化為主要特點(diǎn)的水下航行器控制半實(shí)物仿真系統(tǒng)，不僅仿真主機(jī)由數(shù)字仿真機(jī)代替了早先的模擬機(jī)，而且主要外圍仿真設(shè)備如三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和水壓仿真器亦實(shí)現(xiàn)了數(shù)字機(jī)隨動(dòng)控制，同時(shí)研制出仿真主機(jī)與外圍仿真設(shè)備之間的實(shí)時(shí)數(shù)字并行通訊接口。從而為水下航行器的高精度半實(shí)物仿真提供了更先進(jìn)、更完善的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　1　水下航行器控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真的特點(diǎn)

　　為了有效地開展控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真尤其是半實(shí)物仿真的研究工作，有必要研究水下航行器的特點(diǎn)及其對(duì)仿真的特殊要求。

　　(1)航行時(shí)深度通道是最主要的控制通道，其深度敏感元件依靠測(cè)量海水動(dòng)態(tài)壓力來(lái)給出航行深度，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)深度敏感元件的加載要求，需要研制量程范圍大且在淺水深度時(shí)仿真精度足夠高的水壓仿真器。
　　(2)由于水下聲探測(cè)距離的局限性，為了增大搜索范圍，控制系統(tǒng)一般都設(shè)計(jì)了相當(dāng)復(fù)雜的航行軌跡的程序控制如“8”字形、螺旋形搜索航行方式等，因此要求：
　　a．仿真機(jī)除了能解算用微分方程和超越方程描述的連續(xù)數(shù)學(xué)模型以外，還應(yīng)具備實(shí)時(shí)解算描述軌跡的大量邏輯運(yùn)算的能力。
　　b．用于仿真航行器姿態(tài)的三軸模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的外環(huán)軸應(yīng)具有多圈連續(xù)旋轉(zhuǎn)的能力。
　　(3)由于水密度基本為常數(shù)和推進(jìn)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束后航行體速度基本保持不變，航行器運(yùn)動(dòng)在一般條件下可近似看作定常運(yùn)動(dòng),舵機(jī)負(fù)載僅與舵角有關(guān)，從而可以簡(jiǎn)化舵機(jī)負(fù)載力矩仿真器的設(shè)計(jì)。

　　2　水下航行器控制半實(shí)物仿真系統(tǒng)的組成

　　圖1為該仿真系統(tǒng)原理框圖,虛線框內(nèi)為被仿真的駕駛儀實(shí)物。



　　　　　　　　　　　圖1　某水下航行器控制半實(shí)物仿真系統(tǒng)原理圖

　　其中，仿真設(shè)備主要有：

　　（1）VAX-LAB數(shù)字仿真機(jī)
　　VAX機(jī)為系統(tǒng)仿真主機(jī)，在該計(jì)算機(jī)上開發(fā)了一套航行器實(shí)時(shí)仿真軟件包，包括輸入輸出、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)解算、圖形顯示、數(shù)據(jù)處理、自檢、開環(huán)與閉環(huán)檢測(cè)調(diào)試程序等，配備有時(shí)鐘板KWV11、模數(shù)轉(zhuǎn)換板ADV11、并行通訊板DRV11-WA等及VMS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)［1］。在實(shí)時(shí)仿真中，由VAX機(jī)中時(shí)鐘板KWV11C設(shè)置硬件中斷，幀時(shí)間一般為5ms。

　?。?）696數(shù)控式三軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)
　　696數(shù)控式三軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)是在原696三軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)經(jīng)數(shù)字化改造而成的一種新型航行器姿態(tài)仿真器，航行器在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)航行軌跡復(fù)雜，要求仿真器具有高精度多圈回轉(zhuǎn)功能。實(shí)現(xiàn)這種仿真要求的一種仿真器控制系統(tǒng)如圖2。由PC-486工業(yè)控制機(jī)作前端機(jī)，對(duì)輸入的航行器角速度進(jìn)行坐標(biāo)變換處理，每個(gè)8096單片機(jī)作為它的下位機(jī)，通過(guò)實(shí)時(shí)控制計(jì)算，分別控制外、中、內(nèi)三個(gè)框，三個(gè)框的位置、速度顯示也由另一個(gè)8031單片機(jī)管理，進(jìn)行數(shù)字顯示。這種通訊、計(jì)算和控制的數(shù)字化方式不僅使伺服控制性能提高，而且設(shè)置角運(yùn)動(dòng)初始狀態(tài)、修改控制參數(shù)十分方便。在位置反饋設(shè)計(jì)方面，采用高精度的光學(xué)編碼器代替了早先的模擬式電位計(jì)，通過(guò)可逆計(jì)數(shù)器將脈沖個(gè)數(shù)表示的角位置信息送往數(shù)控裝置。光電碼盤的應(yīng)用，就大大提高了航行器多圈回轉(zhuǎn)的精度。同時(shí)，在該系統(tǒng)中引入了速度的模擬量反饋，使系統(tǒng)的動(dòng)特性和低速平穩(wěn)性得到改善［2］。



　　　　　　　　　　圖2　數(shù)控式多圈回轉(zhuǎn)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)單框原理圖

　　轉(zhuǎn)臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)：三框均可連續(xù)旋轉(zhuǎn)；靜態(tài)精度：2′;頻帶：8Hz（按ΔA±10％和Δφ±10°要求）。

　?。?）水壓仿真器
　　水壓仿真器是深度半實(shí)物仿真中的關(guān)鍵設(shè)備，水壓仿真器又稱為深度模擬器，是一種電～壓力變換裝置，它接受來(lái)自仿真主機(jī)的航行深度的電信號(hào)，通過(guò)電液變換轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的油壓動(dòng)態(tài)變化，并經(jīng)管路施加于被試的深度傳感器上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)含深度傳感器在內(nèi)的自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行半實(shí)物仿真的目的。

　　水壓仿真器由控制器、電液伺服閥、壓力反饋裝置及液壓油源等組成，參見(jiàn)圖3。其中，控制器采用8096單片機(jī)，控制器與仿真主機(jī)的深度等信息的傳送可以直接通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)字接口并行通訊，從而減少了因數(shù)模轉(zhuǎn)換和模擬量傳送所帶來(lái)的誤差［3］。



　　　　　　　　　　　　　圖3　水壓仿真器原理圖

　　水壓仿真器主要技術(shù)指標(biāo)：量程：0～60米(淺水)、60～600米(深水)；靜態(tài)精度：0.13%；頻帶：30Hz。

　?。?）舵負(fù)載力矩仿真器
　　舵面負(fù)載力矩仿真器是仿真作用在舵面上的流體動(dòng)力負(fù)載的一種施力裝置。由于海水的密度、航行器航行速度基本可看成常數(shù)，舵鉸鏈力矩系數(shù)也可認(rèn)為基本不變，在舵的形狀不變且很小時(shí)，負(fù)載力矩可近似為線性，這樣，對(duì)于簡(jiǎn)化負(fù)載力矩仿真器的設(shè)計(jì)是有利的，仿真器屬定點(diǎn)式仿真器，采用板簧來(lái)制作，如航行速度改變，則用更換剛度系數(shù)不同的板簧的辦法。

　?。?）接口裝置
　　由于在多圈回旋狀態(tài)下，小角度變化信號(hào)經(jīng)由模擬轉(zhuǎn)換接口傳送會(huì)引起較大誤差，因而必須根據(jù)設(shè)備的具體情況研制專用數(shù)字傳送接口。圖5為連接VAX機(jī)和PC機(jī)的16位數(shù)字并行接口的示意圖，在VAX機(jī)的Q總線上插接DRV11—WA的DMA并行通訊板，在PC機(jī)插有研制的PJ—16專用接口板，地址選址由GAL芯片實(shí)現(xiàn)，握手控制線由8255完成，采用4片74LS374進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，它們的連接和通訊由40芯的連接線（握手線、數(shù)據(jù)線、地址線、控制線）和專用接口軟件完成，通訊速率為512K/秒。



　　　圖4　VAX-PC并行通訊接口原理圖



　　　　　　　　圖5　水下航行器仿真工程數(shù)據(jù)庫(kù)框圖

　　(6）仿真工程數(shù)據(jù)庫(kù)與程序庫(kù)的一體化設(shè)計(jì)
　　為了實(shí)現(xiàn)仿真和型號(hào)設(shè)計(jì)試驗(yàn)的一體化，在VAX機(jī)上開發(fā)研制了仿真工程數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)是以O(shè)RACLE關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，利用PRO*FORTRAN預(yù)編譯程序接口和SQL*FORMS來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在仿真過(guò)程的初始化階段，仿真程序可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，如模型參數(shù)、狀態(tài)初值等，在仿真結(jié)束時(shí)可將內(nèi)存中結(jié)果數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫(kù)，不必經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)文件的中間過(guò)渡。仿真數(shù)據(jù)庫(kù)是通過(guò)建立一些基本的表和FORMS來(lái)構(gòu)成，主要有航行器模型參數(shù)表（TPMP）、仿真及實(shí)航實(shí)驗(yàn)結(jié)果表（TPID、TPID1、SIMUDATE）和仿真初值表（ORIG）。FORMS有：模型參數(shù)表格FORMA，它能根據(jù)航行器類型對(duì)各種入庫(kù)航行器模型參數(shù)進(jìn)行查詢，解決了數(shù)據(jù)保密問(wèn)題以及如何根據(jù)塊之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)條件查詢；仿真、實(shí)航數(shù)據(jù)操作表格FORMBARY，它能根據(jù)實(shí)驗(yàn)有關(guān)數(shù)據(jù)查出仿真結(jié)果記錄，該FORM解決了數(shù)據(jù)文件入庫(kù)問(wèn)題以及如何同時(shí)刪除一組記錄：仿真、實(shí)航數(shù)據(jù)輸出表格FORMBANKY，其主要功能是用于不同條次航行器的試驗(yàn)結(jié)果輸出（畫圖、打印、形成數(shù)據(jù)文件等），并且可以對(duì)不同次試驗(yàn)的同一狀態(tài)進(jìn)行比較。圖5為航行器仿真工程數(shù)據(jù)庫(kù)框圖。

　　3　系統(tǒng)測(cè)試對(duì)比和仿真試驗(yàn)應(yīng)用

　　對(duì)已完成工程實(shí)現(xiàn)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行了一系列測(cè)試和對(duì)比分析工作，主要結(jié)果如下：

　　數(shù)學(xué)模型解算誤差主要為字長(zhǎng)、步長(zhǎng)和算法產(chǎn)生，對(duì)于32位計(jì)算機(jī)、5ms步長(zhǎng)和四階亞當(dāng)斯法的計(jì)算，誤差小于0.1%，而模擬機(jī)解算的系統(tǒng)計(jì)算誤差為1～5%。數(shù)控式轉(zhuǎn)臺(tái)靜態(tài)誤差三框?yàn)?′～2′，同一轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)字化改造之前為8′。水壓仿真器靜態(tài)精度0.13%，絕對(duì)誤差小于0.0005Mpa，而模擬式仿真器相對(duì)誤差0.5%，絕對(duì)誤差0.002Mpa。16位D/D數(shù)字信息傳輸誤差為1/65535，而模擬信號(hào)傳輸因噪聲干擾所引起的誤差為0.1%左右。由此不難看出,新完成的仿真系統(tǒng)具有較高的仿真精度。

　　圖6為某航行器半實(shí)物仿真的深度曲線與海上實(shí)航結(jié)果對(duì)比情況，說(shuō)明半實(shí)物仿真結(jié)果與實(shí)航結(jié)果相接近。



圖6　航行深度半實(shí)物仿真與實(shí)航結(jié)果對(duì)比

　　4　結(jié)束語(yǔ)

　　由于在該航行器控制半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了數(shù)學(xué)模型的數(shù)字機(jī)解算、仿真器的數(shù)字機(jī)控制、系統(tǒng)設(shè)備間的信息的數(shù)字傳輸，使系統(tǒng)仿真精度優(yōu)于原先以模擬設(shè)備為主的仿真系統(tǒng)，而且設(shè)定初始條件、改變控制參數(shù)十分方便，增強(qiáng)了系統(tǒng)仿真功能，從而使水下航行器的半實(shí)物仿真技術(shù)進(jìn)入數(shù)字一體化的新階段。