某型導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(dòng)駕駛儀的動(dòng)態(tài)測試要求，分析了該自動(dòng)駕駛儀的測試需求，設(shè)計(jì)了自動(dòng)駕駛儀單通道定點(diǎn)半實(shí)物仿真試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和保存等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)操作方便、擴(kuò)展性能強(qiáng)，完全能滿足動(dòng)態(tài)自動(dòng)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(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)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(dòng)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(jìn)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(tái)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(dòng)態(tài)性能(或稱半實(shí)物仿真試驗(yàn))的導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀。

1 自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)性能測試(或稱半實(shí)物仿真試驗(yàn))是將彈體模型、敏感元件用計(jì)算機(jī)軟件編排，與彈上計(jì)算機(jī)(即數(shù)字控制器)和舵機(jī)艙(即伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu))實(shí)物構(gòu)成閉合回路，模擬彈體運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)駕駛儀穩(wěn)定控制過程，以檢驗(yàn)駕駛儀動(dòng)態(tài)性能。

　　導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)由硬件和軟件兩個(gè)部分組成。其主要作用是對導(dǎo)彈駕駛儀的物理參數(shù)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行適配調(diào)試;待硬件系統(tǒng)搭建完成并調(diào)試正常時(shí)，進(jìn)行軟件編程及調(diào)試;最后對整個(gè)測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

　　整個(gè)系統(tǒng)采用臺(tái)式結(jié)構(gòu)，基本分為三個(gè)模塊部分：工控機(jī)、控制組合和電源系統(tǒng)。工控機(jī)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(hù)模塊、二級加電保護(hù)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(jì)算機(jī)上進(jìn)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(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)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(jì)算公式為：

　　式(2-2)也可用數(shù)值積分法來計(jì)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(shí)間變化的整個(gè)過程。

3 動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

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

　　1) 仿真計(jì)算機(jī)的選用

　　仿真計(jì)算機(jī)的底板采用Adlink公司的HPCI-14S12U，該底板擁有12個(gè)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(jī)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(jì)時(shí)卡的選擇

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

　　5) 直流電源的設(shè)計(jì)

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

　　6) 信號增益/衰減板的設(shè)計(jì)

　　為了保護(hù)產(chǎn)品和數(shù)據(jù)采集卡，對輸入和輸出信號進(jìn)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(jì)

　　測試系統(tǒng)選用Windows XP操作系統(tǒng)，軟件的編程和運(yùn)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(jī)、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)判讀、生成報(bào)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(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)有性能測試、故障診斷、回放系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)開發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)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(shí)際測試中，系統(tǒng)將每個(gè)測試流程劃分為若干個(gè)測試步驟。這樣，一個(gè)復(fù)雜的測試過程就可以通過多個(gè)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(jì)算機(jī)與舵系統(tǒng)的模型，在界面中以打勾的方式可選，在半實(shí)物仿真中，操作人員可任意搭配彈上計(jì)算機(jī)與舵系統(tǒng)的模型，以及彈上計(jì)算機(jī)與舵系統(tǒng)的實(shí)物進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證結(jié)果。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性與實(shí)用性，我們建立起了一個(gè)某型導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)自動(dòng)駕駛儀測試實(shí)驗(yàn)的開發(fā)平臺(tái)。自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)整體是由控制組合、電源系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、操作臺(tái)等組成，整個(gè)系統(tǒng)全部通過測試軟件來進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助測試，自動(dòng)駕駛儀的動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)主要用來測試自動(dòng)駕駛儀的動(dòng)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(gè)測試過程，測試系統(tǒng)如圖4所示。

　　自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)的軟件界面如圖5所示，測試的曲線和報(bào)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(shí)際性能，要求測試的一些性能參數(shù)以數(shù)字的形式進(jìn)入報(bào)表，用于保存和打印。本測試系統(tǒng)采用自動(dòng)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真

　　由于此系統(tǒng)的仿真時(shí)間間隔要求(≤1ms)，無法使用PC機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器。故利用計(jì)時(shí)卡上的定時(shí)器，計(jì)時(shí)卡上可提供給用戶自由使用的定時(shí)器，編程能夠達(dá)到微秒級的系統(tǒng)定時(shí)。這樣可滿足此仿真測試系統(tǒng)的要求。這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)在某型自動(dòng)駕駛儀動(dòng)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(jì)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(jì)的自動(dòng)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(shí)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(jì)要求，充分說明了該自動(dòng)駕駛儀的設(shè)計(jì)突出簡單而有效的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

　　[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(dòng)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(shí)引用，并注明出處。