動(dòng)態(tài)訓(xùn)練模擬器液壓控制裝置系統(tǒng)

摘要：以美國(guó)主站坦克M1A1的運(yùn)動(dòng)性能為目標(biāo)，闡述了一種坦克兵動(dòng)態(tài)訓(xùn)練模擬器液壓控制部分的設(shè)計(jì)流程。該模擬器采用嵌入式控制器控制液壓系統(tǒng)，克服了模擬控制系統(tǒng)難以保證長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的缺點(diǎn)，也克服了一般數(shù)字控制系統(tǒng)難以保證三路油缸運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)性和同步性的缺點(diǎn)，且比一般的三自由度復(fù)雜運(yùn)算控制器的體積小。實(shí)用效果表明，該訓(xùn)練模擬器操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行穩(wěn)定，較好地滿足了坦克兵模擬動(dòng)態(tài)訓(xùn)練的要求。這里研制的數(shù)字液壓控制裝置系統(tǒng)給其他類型的動(dòng)態(tài)模擬訓(xùn)練器的研究提供了參考。
關(guān)鍵詞：坦克兵動(dòng)態(tài)訓(xùn)練模擬器；嵌入式控制系統(tǒng)；液壓控制；實(shí)時(shí)控制

0 引言
長(zhǎng)期以來(lái)，坦克手的培訓(xùn)都是利用真實(shí)的坦克和場(chǎng)地進(jìn)行的，這樣的訓(xùn)練盡管具有實(shí)地演練優(yōu)勢(shì)，但是坦克行進(jìn)路線和路況少，耗油量大。坦克兵動(dòng)態(tài)訓(xùn)練模擬器正是為了彌補(bǔ)實(shí)地演練的一些缺點(diǎn)，輔助培訓(xùn)坦克駕駛員而設(shè)計(jì)的。本文以美國(guó)戰(zhàn)后第三代主站坦克M1A1艾布拉姆斯坦克為目標(biāo)，介紹了一種坦克兵動(dòng)態(tài)訓(xùn)練模擬器液壓控制部分的設(shè)計(jì)流程。為了增加模擬訓(xùn)練的真實(shí)感，模擬器采用高性能嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的控制，增加訓(xùn)練模擬器的動(dòng)作實(shí)時(shí)性和地面多種行駛姿態(tài)，并利用三個(gè)液壓缸支撐一個(gè)平面的設(shè)計(jì)，形成三自由度的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模擬。
模擬訓(xùn)練器的液壓伺服系統(tǒng)如果采用模擬系統(tǒng)，其響應(yīng)快，但由于參數(shù)調(diào)整非常難，自適應(yīng)性差，以及參數(shù)漂移等問(wèn)題使得模擬系統(tǒng)難以保證長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。用數(shù)字系統(tǒng)代替模擬系統(tǒng)的難點(diǎn)在于三路油缸的實(shí)時(shí)和同步控制。本文設(shè)計(jì)了一種嵌入式控制器——嵌入式平板電腦ZY-100作為人機(jī)界面和控制器，以期實(shí)現(xiàn)液壓伺服系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性要求。三自由度控制的復(fù)雜運(yùn)算采用煙臺(tái)中宇航空液壓有限公司的嵌入式控制器完成，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)、PLC和觸摸屏顯三合一，這樣使集成化高、連線少、體積小、厚度只有20 cm，而一般的三自由度控制器都比較厚，雖然嵌入式液壓控制研究已有許多在國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的文章，但具有如此小體積、高集成化、三自由度復(fù)雜運(yùn)算的控制器在國(guó)內(nèi)期刊上鮮見(jiàn)發(fā)表。

1 動(dòng)態(tài)訓(xùn)練模擬器的工作原理
坦克兵動(dòng)態(tài)訓(xùn)練模擬器液壓部分是由三個(gè)液壓伺服缸支撐一個(gè)平面，使其能形成三自由度的運(yùn)動(dòng)，以模擬坦克在不同的地面上的行駛姿態(tài)。其中，三個(gè)油缸的運(yùn)動(dòng)軌跡由用戶在人機(jī)界面預(yù)先設(shè)置，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生三路數(shù)字電壓信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)D／A變換、放大，轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)去控制三個(gè)伺服閥的開(kāi)度和方向，從而獨(dú)立控制三個(gè)油缸的運(yùn)動(dòng)方向和速度，使底部的三路油缸控制頂部平臺(tái)做三自由度的運(yùn)動(dòng)。為了能夠正確調(diào)整油缸的移動(dòng)，通過(guò)與油缸相連的位移傳感器的反饋信號(hào)構(gòu)成各自由度位置閉環(huán)控制，將油缸位移電壓信號(hào)與計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)比較，然后根據(jù)差值信號(hào)，糾正油缸移動(dòng)的實(shí)際位置。因此，位移傳感器輸出的是負(fù)反饋信號(hào)。本文計(jì)算機(jī)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓為0～10 V。開(kāi)路狀態(tài)下，D／A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓0～10 V對(duì)應(yīng)油缸移動(dòng)距離0～200 ms，且D／A輸出與油缸移動(dòng)距離成正比；位移傳感器的輸出為0～10 V，對(duì)應(yīng)油缸0～200ms的移動(dòng)距離，且與油缸移動(dòng)距離成正比。
為保證油的順利流動(dòng)和油泵的正常工作，在油箱里油泵到油缸的通道中設(shè)置了人工控制溢流閥。溢流閥中的油壓及油泵中的液位將通過(guò)壓力傳感器和液位傳感器送到計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果發(fā)現(xiàn)油壓過(guò)高或過(guò)低，通過(guò)旋轉(zhuǎn)溢流閥開(kāi)關(guān)，可以改變輸油管管口的大小，調(diào)整油壓，使油壓滿足正常工作要求。如果液面過(guò)低，計(jì)算機(jī)將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，同時(shí)送出關(guān)機(jī)信號(hào)，關(guān)掉油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
另外，油溫的范圍也會(huì)影響油泵的正常工作，系統(tǒng)通過(guò)油箱中的溫度傳感器提取溫度信號(hào)，并送計(jì)算機(jī)處理；當(dāng)油溫較高時(shí)，系統(tǒng)將輸入冷水使油降溫；如果油溫超過(guò)一定溫度，計(jì)算機(jī)將報(bào)警。當(dāng)油溫較低時(shí)，停止送水。
整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。