動態(tài)訓練模擬器液壓控制裝置系統(tǒng)
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2 系統(tǒng)設(shè)計
2．1 硬件
坦克兵動態(tài)訓練模擬器的硬件系統(tǒng)包括開關(guān)電源、嵌入式控制器、液壓缸、放大器、伺服閥、油缸、液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、油箱、油泵、溢流閥等。
2．1．1 計算機
系統(tǒng)采用了嵌入式平板電腦ZY-100作為人機界面和控制器，它集微處理器、PLC、觸摸屏、A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換為一體。模擬訓練器通過底部的三路油缸控制頂部平臺的運動，油缸的運動軌跡由給定的計算公式得出，控制的難點在于三路油缸的實時和同步。該油缸是通過伺服閥的開度和方向以及位移傳感器的反饋來確定運動位置，達不到實時性要求就無法對油缸位置進行精確的控制。平臺的位置由三路油缸共同決定，如果不能做到三路油缸同步，也就無法得到設(shè)想的運動軌跡，達不到預(yù)定的目的。
液壓伺服系統(tǒng)控制效果好是因為采用模擬系統(tǒng)(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)漂移等問題使模擬系統(tǒng)難以保證長期可靠運行，用數(shù)字系統(tǒng)代替模擬系統(tǒng)時，只有當數(shù)字系統(tǒng)采樣時間和響應(yīng)(循環(huán)周期)時間達到1～2 ms時基本上與模擬系統(tǒng)一樣，達到1 ms時，效果更好。為了滿足液壓系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性要求，先后試驗過工控機、PLC等多種控制平臺，但是大多不能滿足苛刻的實時性要求，最終采用自行研制的響應(yīng)快、可靠性高的嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計了嵌入式控制器一一嵌入式平板電腦ZY-100作為人機界面和控制器。
該控制器通過選用12位高精度的模擬量輸入／輸出端口，直接與CPU進行通信，響應(yīng)速度快。位移傳感器送過來的電流信號，能迅速轉(zhuǎn)化成位移量，獲得油缸的當前位置，與給定的目標位置進行比較輸出，控制油缸的運動。在CPU強大的計算能力支持下，從采集、轉(zhuǎn)換、比較到輸出，總共耗時不到0．5 ms。采用ZY-100外部選配的模擬量輸入／輸出端口，不但很好地滿足了實時性要求，也降低了硬件成本。
ZY-100帶有色彩豐富的人性化界面，可以對設(shè)備的運行情況進行實時監(jiān)控。簡單方便的觸摸屏控制方式，使安裝和操作變得十分簡單。
嵌入式控制器指標如下：
(1)24路可編程TTL電平開關(guān)量輸入輸出；
(2)16路單端／8路雙端模入；
(3)4路獨立模出；
(4)3路計數(shù)通道。
2．1．2 電源與接地
本文采用明偉牌開關(guān)電源，輸出電壓分別為±9 V，±24 V，+5 V。其中，±9 V供給三路電壓／電流放大器；24 V供給溢流閥和三路伺服閥。
系統(tǒng)配有UPS，保證系統(tǒng)不斷電。為了保證可靠接地，本文采用了模塊化布局。
啟動電機時有三角型接法到星型接法的轉(zhuǎn)換，需要延時6 s；電機啟動后需要延時2 s再啟動通道閥和系統(tǒng)閥，同時給穩(wěn)壓電源通電。
2．1．3 PLC
為了增加帶負載的能力，微處理器產(chǎn)生的控制和報警信號通過PLC輸出。該輸出控制電機啟動、停止；控制溢流閥的開啟、停止；當溫度過高時，輸出報警信號。
2．2 軟件
系統(tǒng)軟件在LabWindows／CVI軟件平臺開發(fā)，支持的操作系統(tǒng)是Windows 9x和Windows 2000，硬件要求Intel Pentium 166 B，內(nèi)存128 MB，128 MB以上CF卡和多功能數(shù)據(jù)采集卡。該軟件可根據(jù)設(shè)定的曲線模式，輸出數(shù)據(jù)到電液伺服閥，模擬坦克的顛簸振動效果。系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)檢測、曲線顯示、閉環(huán)反饋輸出等功能。
軟件的功能之一是使計算機產(chǎn)生不同的電壓波形，以控制伺服閥的開度和方向有：時速45 km／s，67 km／s顛簸路面；時速30 km／s；49 km／s凹凸路面；加速行駛；左后、右后左前、右前傾斜。
3 結(jié)論
本文實現(xiàn)了M1A2主戰(zhàn)坦克的各項參數(shù)指標模擬包括：時速67 km／s顛簸路面；時速48．3 km／s凹凸路面；7 s的時間內(nèi)將速度由0～32 km／s加速；爬坡31°，通過高1 m的左垂直墻、左后、右后、左前、右前傾斜。
該設(shè)計主要有三個特點：
(1)三自由度控制這種程度的復(fù)雜運算來用煙臺中宇航空液壓有限公司的平板電腦完成，實現(xiàn)了計算機、PLC和觸摸屏三合一，集成化高、連線少、性能穩(wěn)定、體積小、厚度只有20 cm，較一般的三自由度控制器體積小得多，并且克服了用模擬控制系統(tǒng)實現(xiàn)時由于參數(shù)調(diào)整非常難，自適應(yīng)性差以及參數(shù)漂移等問題使得模擬系統(tǒng)難以保證長期可靠運行的缺點，克服了一般用數(shù)字系統(tǒng)代替模擬系統(tǒng)時難于三路油缸的實時和同步控制的缺點。另外，數(shù)字控制系統(tǒng)較模擬控制系統(tǒng)更加靈活，在以后進一步的研制中，可以根據(jù)具體情況，通過編程，增加更多的控制功能。
(2)軟件編程使人機界面操作平臺實現(xiàn)了傻瓜式操作，減少學習設(shè)備的訓練強度。
(3)模擬的道路狀況可通過實時采集數(shù)據(jù)輸入到計算機。目前，正在進行該產(chǎn)品的升級換代，將使新一代產(chǎn)品的功能更加完善，性能更加穩(wěn)定。
本文設(shè)計的M1A2型主戰(zhàn)坦克的坦克兵動態(tài)訓練模擬器，界面操作簡單，運行穩(wěn)定，實時性好，較好地滿足了對坦克手的模擬訓練要求。實驗效果表明，該坦克兵動態(tài)訓練模擬器可以靈活地模擬坦克經(jīng)過的各種地形，可以成功地用于坦克兵動態(tài)模擬訓練。
本文的研究成果不僅為坦克兵訓練模擬器的進一步完善打下基礎(chǔ)，也為諸如飛機、太空艙等其他類型的訓練模擬器的研究提供了參考。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/186800.htm
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