某型導彈自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測試系統的設計

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(mǎn)足某型號導彈發(fā)射系統自動(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，設計了自動(dòng)駕駛儀單通道定點(diǎn)半實(shí)物仿真試驗測試系統。本文介紹了系統的軟硬件結構及功能，應用LabVIEW軟件編寫(xiě)測試程序，實(shí)現了數據的實(shí)時(shí)采集、處理和保存等功能。實(shí)驗結果表明，該動(dòng)態(tài)測試系統操作方便、擴展性能強，完全能滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)自動(dòng)駕駛儀的測試需求。

引言

　　現代戰場(chǎng)環(huán)境日益復雜，要求機動(dòng)性越來(lái)越高，目標打擊越來(lái)越準。導彈是現代化戰爭必不可少的武器，研究導彈的控制技術(shù)，提高導彈的機動(dòng)作戰性能，顯得尤為重要。作為導彈的主要控制測試設備的自動(dòng)駕駛儀的完善和優(yōu)良程度具有重要作用。隨著(zhù)某型號導彈的改進(jìn)和大量使用，要求被測信號通道數增多、波形復雜、判讀精度高，傳統的測試臺操作復雜、誤差大、成本高，有必要針對某型號導彈研制一套智能化水平高的、能夠測試動(dòng)態(tài)性能(或稱(chēng)半實(shí)物仿真試驗)的導彈自動(dòng)駕駛儀。

1 自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測試系統的總體設計

　　自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)性能測試(或稱(chēng)半實(shí)物仿真試驗)是將彈體模型、敏感元件用計算機軟件編排，與彈上計算機(即數字控制器)和舵機艙(即伺服執行機構)實(shí)物構成閉合回路，模擬彈體運動(dòng)和自動(dòng)駕駛儀穩定控制過(guò)程，以檢驗駕駛儀動(dòng)態(tài)性能。

　　導彈自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測試系統由硬件和軟件兩個(gè)部分組成。其主要作用是對導彈駕駛儀的物理參數進(jìn)行采集、處理和記錄，以數字和圖像等方式顯示測試和處理結果，并具有一定的故障診斷能力。

　　根據測試需求和“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。在此基礎上，選擇采集設備和接口設備，組建硬件系統并合理配置系統資源，對測試設備與被測件之間的接口進(jìn)行適配調試;待硬件系統搭建完成并調試正常時(shí)，進(jìn)行軟件編程及調試;最后對整個(gè)測試系統進(jìn)行測試。系統設計流程如圖1所示。

　　整個(gè)系統采用臺式結構，基本分為三個(gè)模塊部分：工控機、控制組合和電源系統。工控機模塊含有A/D、D/A、DIO以及軟件;控制組合模塊包括隔離板、一級加電保護模塊、二級加電保護模塊、增益模塊、面板上各種接插件轉接組合、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。本系統的原理組成如圖2。

2 導彈的數學(xué)模型

　　為了能將系統的數學(xué)模型在計算機上進(jìn)行系統仿真，必須先將系統的數學(xué)模型轉換為計算機上進(jìn)行計算求解的仿真模型。隨著(zhù)控制系統仿真理論的日趨完善，轉換的方法也日趨繁多，在工程應用中，彈體模型的轉換方法常用的是四階龍格-庫塔法^[3]。下面具體介紹轉換的方法及應用。

　　2.1 方法說(shuō)明

　　四階龍格-庫塔的計算公式為：

　　式(2-2)也可用數值積分法來(lái)計算，即對于第一式，可將看作f(t1,x1,x2,…,xn,u)。當已知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(guò)程。

3 動(dòng)態(tài)測試系統的設計

　　3.1 硬件實(shí)現

　　測試系統硬件主要包括兩部分，一個(gè)是實(shí)時(shí)測試數據采集工控機，另一個(gè)是電源采集模塊。

　　1) 仿真計算機的選用

　　仿真計算機的底板采用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。內存2GB ，多功能打印機采用HP LaserJet 1020。

　　2) A/D卡的選擇

　　A/D卡選用ADLINK公司的PCI-9118。此卡的主要參數如下：

　　a.通道數目16(選用2塊);b.采樣的數據位數：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。此卡的主要參數如下：

　　a. 通道數目：16路(選用2塊); b. 輸出的數據位數：16bit。

　　4) DIO計時(shí)卡的選擇

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

　　5) 直流電源的設計

　　按照系統要求，將所有的直流電源設計制作在一個(gè)箱體中，形成電源模塊。

　　6) 信號增益/衰減板的設計

　　為了保護產(chǎn)品和數據采集卡，對輸入和輸出信號進(jìn)行合理的放大或衰減。增益的倍數在0.1～5。

　　3.2 測試系統的軟件設計

　　測試系統選用Windows XP操作系統，軟件的編程和運行環(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、數據保存、數據判讀、生成報表等功能。

　　軟件的解算方法采用二階龍格庫塔法。

　　測試程序應采用中文界面，具有良好的交互性;采樣周期及算法應保證測試的實(shí)時(shí)性和穩定性。

　　系統軟件設計有性能測試、故障診斷、回放系統，軟件設計開(kāi)發(fā)采用模塊化設計思想和自頂向下的方法，界面友好、操作簡(jiǎn)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)復雜的測試過(guò)程就可以通過(guò)多個(gè)不同的測試步驟加載來(lái)完成，從而充分利用了測試設備的內存空間，大大提高了測試速率和效率。

　　本系統有彈上計算機與舵系統的模型，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算機與舵系統的模型，以及彈上計算機與舵系統的實(shí)物進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能試驗，以驗證結果。

4 系統實(shí)現與驗證

　　為了驗證本系統的可行性與實(shí)用性，我們建立起了一個(gè)某型導彈動(dòng)態(tài)自動(dòng)駕駛儀測試實(shí)驗的開(kāi)發(fā)平臺。自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測試系統整體是由控制組合、電源系統、計算機系統、操作臺等組成，整個(gè)系統全部通過(guò)測試軟件來(lái)進(jìn)行計算機輔助測試，自動(dòng)駕駛儀的動(dòng)態(tài)測試系統主要用來(lái)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(lái)完成整個(gè)測試過(guò)程，測試系統如圖4所示。

　　自動(dòng)駕駛儀動(dòng)態(tài)測試系統的軟件界面如圖5所示，測試的曲線(xiàn)和報表顯示如圖6所示，電源自檢測試系統示意圖如圖7，要求測試的物理量的采樣曲線(xiàn)完全準確地反映出某型導彈的實(shí)際性能，要求測試的一些性能參數以數字的形式進(jìn)入報表，用于保存和打印。本測試系統采用自動(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)現實(shí)時(shí)仿真

　　由于此系統的仿真時(shí)間間隔要求(≤1ms)，無(wú)法使用PC機內部的定時(shí)器。故利用計時(shí)卡上的定時(shí)器，計時(shí)卡上可提供給用戶(hù)自由使用的定時(shí)器，編程能夠達到微秒級的系統定時(shí)。這樣可滿(mǎn)足此仿真測試系統的要求。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)測試系統中使用過(guò)，并且工作狀態(tài)很穩定。

　　2)各通道彈體數學(xué)模型及敏感元件模型的解算方法

　　為了滿(mǎn)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理技術(shù)設計的電路完全可以滿(mǎn)足系統提出的要求。

6 總結

　　本文設計的自動(dòng)駕駛儀測試系統完成了對某型導彈的性能測試，結果表明，測試的結果能準確反應導彈的實(shí)際性能，其余狀態(tài)參數指標均在要求的范圍，且多次測量穩定，由于保密原因在此不做結果具體分析。此測試系統滿(mǎn)足測試系統的性能和設計要求，充分說(shuō)明了該自動(dòng)駕駛儀的設計突出簡(jiǎn)單而有效的結果。

參考文獻：

　　[1]陳樹(shù)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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第56頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。