水下航行器仿真系統數字化和一體化

　　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)法準確建立數學(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)一步校準數學(xué)模型；③直接檢驗控制系統各部分功能。因而，西方各國都投入了巨大的人力物力建設各種航行器半實(shí)物仿真實(shí)驗室，早在六十年代，美國、日本就開(kāi)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)物仿真系統的精度，一直是國內外仿真工作者著(zhù)力解決的課題之一。為此,本文設計了一種新型的數字化、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，不僅仿真主機由數字仿真機代替了早先的模擬機，而且主要外圍仿真設備如三軸轉臺和水壓仿真器亦實(shí)現了數字機隨動(dòng)控制，同時(shí)研制出仿真主機與外圍仿真設備之間的實(shí)時(shí)數字并行通訊接口。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。

　　1　水下航行器控制系統半實(shí)物仿真的特點(diǎn)

　　為了有效地開(kāi)展控制系統的數學(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量海水動(dòng)態(tài)壓力來(lái)給出航行深度，為了實(shí)現對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)由于水下聲探測距離的局限性，為了增大搜索范圍，控制系統一般都設計了相當復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．仿真機除了能解算用微分方程和超越方程描述的連續數學(xué)模型以外，還應具備實(shí)時(shí)解算描述軌跡的大量邏輯運算的能力。
　　b．用于仿真航行器姿態(tài)的三軸模擬轉臺的外環(huán)軸應具有多圈連續旋轉的能力。
　　(3)由于水密度基本為常數和推進(jìn)系統啟動(dòng)過(guò)程結束后航行體速度基本保持不變，航行器運動(dòng)在一般條件下可近似看作定常運動(dòng),舵機負載僅與舵角有關(guān)，從而可以簡(jiǎn)化舵機負載力矩仿真器的設計。

　　2　水下航行器控制半實(shí)物仿真系統的組成

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



　　　　　　　　　　　圖1　某水下航行器控制半實(shí)物仿真系統原理圖

　　其中，仿真設備主要有：

　?。?）VAX-LAB數字仿真機
　　VAX機為系統仿真主機，在該計算機上開(kāi)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)和運動(dòng)學(xué)解算、圖形顯示、數據處理、自檢、開(kāi)環(huán)與閉環(huán)檢測調試程序等，配備有時(shí)鐘板KWV11、模數轉換板ADV11、并行通訊板DRV11-WA等及VMS實(shí)時(shí)操作系統［1］。在實(shí)時(shí)仿真中，由VAX機中時(shí)鐘板KWV11C設置硬件中斷，幀時(shí)間一般為5ms。

　?。?）696數控式三軸電動(dòng)轉臺
　　696數控式三軸電動(dòng)轉臺是在原696三軸電動(dòng)轉臺經(jīng)數字化改造而成的一種新型航行器姿態(tài)仿真器，航行器在水下運動(dòng)時(shí)航行軌跡復雜，要求仿真器具有高精度多圈回轉功能。實(shí)現這種仿真要求的一種仿真器控制系統如圖2。由PC-486工業(yè)控制機作前端機，對輸入的航行器角速度進(jìn)行坐標變換處理，每個(gè)8096單片機作為它的下位機，通過(guò)實(shí)時(shí)控制計算，分別控制外、中、內三個(gè)框，三個(gè)框的位置、速度顯示也由另一個(gè)8031單片機管理，進(jìn)行數字顯示。這種通訊、計算和控制的數字化方式不僅使伺服控制性能提高，而且設置角運動(dòng)初始狀態(tài)、修改控制參數十分方便。在位置反饋設計方面，采用高精度的光學(xué)編碼器代替了早先的模擬式電位計，通過(guò)可逆計數器將脈沖個(gè)數表示的角位置信息送往數控裝置。光電碼盤(pán)的應用，就大大提高了航行器多圈回轉的精度。同時(shí)，在該系統中引入了速度的模擬量反饋，使系統的動(dòng)特性和低速平穩性得到改善［2］。



　　　　　　　　　　圖2　數控式多圈回轉三軸轉臺單框原理圖

　　轉臺主要技術(shù)指標：三框均可連續旋轉；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)鍵設備，水壓仿真器又稱(chēng)為深度模擬器，是一種電～壓力變換裝置，它接受來(lái)自仿真主機的航行深度的電信號，通過(guò)電液變換轉換成相應的油壓動(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)現對含深度傳感器在內的自動(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，控制器與仿真主機的深度等信息的傳送可以直接通過(guò)實(shí)時(shí)數字接口并行通訊，從而減少了因數模轉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：量程：0～60米(淺水)、60～600米(深水)；靜態(tài)精度：0.13%；頻帶：30Hz。

　?。?）舵負載力矩仿真器
　　舵面負載力矩仿真器是仿真作用在舵面上的流體動(dòng)力負載的一種施力裝置。由于海水的密度、航行器航行速度基本可看成常數，舵鉸鏈力矩系數也可認為基本不變，在舵的形狀不變且很小時(shí)，負載力矩可近似為線(xiàn)性，這樣，對于簡(jiǎn)化負載力矩仿真器的設計是有利的，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，小角度變化信號經(jīng)由模擬轉換接口傳送會(huì )引起較大誤差，因而必須根據設備的具體情況研制專(zhuān)用數字傳送接口。圖5為連接VAX機和PC機的16位數字并行接口的示意圖，在VAX機的Q總線(xiàn)上插接DRV11—WA的DMA并行通訊板，在PC機插有研制的PJ—16專(zhuān)用接口板，地址選址由GAL芯片實(shí)現，握手控制線(xiàn)由8255完成，采用4片74LS374進(jìn)行數據緩存，它們的連接和通訊由40芯的連接線(xiàn)（握手線(xiàn)、數據線(xiàn)、地址線(xiàn)、控制線(xiàn)）和專(zhuān)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據庫框圖

　　(6）仿真工程數據庫與程序庫的一體化設計
　　為了實(shí)現仿真和型號設計試驗的一體化，在VAX機上開(kāi)發(fā)研制了仿真工程數據庫。該數據庫是以ORACLE關(guān)系數據庫為基礎，利用PRO*FORTRAN預編譯程序接口和SQL*FORMS來(lái)實(shí)現的。在仿真過(guò)程的初始化階段，仿真程序可以直接調用數據庫中的數據，如模型參數、狀態(tài)初值等，在仿真結束時(shí)可將內存中結果數據送入數據庫，不必經(jīng)過(guò)數據文件的中間過(guò)渡。仿真數據庫是通過(guò)建立一些基本的表和FORMS來(lái)構成，主要有航行器模型參數表（TPMP）、仿真及實(shí)航實(shí)驗結果表（TPID、TPID1、SIMUDATE）和仿真初值表（ORIG）。FORMS有：模型參數表格FORMA，它能根據航行器類(lèi)型對各種入庫航行器模型參數進(jìn)行查詢(xún)，解決了數據保密問(wèn)題以及如何根據塊之間的關(guān)系實(shí)現條件查詢(xún)；仿真、實(shí)航數據操作表格FORMBARY，它能根據實(shí)驗有關(guān)數據查出仿真結果記錄，該FORM解決了數據文件入庫問(wèn)題以及如何同時(shí)刪除一組記錄：仿真、實(shí)航數據輸出表格FORMBANKY，其主要功能是用于不同條次航行器的試驗結果輸出（畫(huà)圖、打印、形成數據文件等），并且可以對不同次試驗的同一狀態(tài)進(jìn)行比較。圖5為航行器仿真工程數據庫框圖。

　　3　系統測試對比和仿真試驗應用

　　對已完成工程實(shí)現的半實(shí)物仿真系統進(jìn)行了一系列測試和對比分析工作，主要結果如下：

　　數學(xué)模型解算誤差主要為字長(cháng)、步長(cháng)和算法產(chǎn)生，對于32位計算機、5ms步長(cháng)和四階亞當斯法的計算，誤差小于0.1%，而模擬機解算的系統計算誤差為1～5%。數控式轉臺靜態(tài)誤差三框為1′～2′，同一轉臺數字化改造之前為8′。水壓仿真器靜態(tài)精度0.13%，絕對誤差小于0.0005Mpa，而模擬式仿真器相對誤差0.5%，絕對誤差0.002Mpa。16位D/D數字信息傳輸誤差為1/65535，而模擬信號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(xiàn)與海上實(shí)航結果對比情況，說(shuō)明半實(shí)物仿真結果與實(shí)航結果相接近。



圖6　航行深度半實(shí)物仿真與實(shí)航結果對比

　　4　結束語(yǔ)

　　由于在該航行器控制半實(shí)物仿真系統設計中，采用了數學(xué)模型的數字機解算、仿真器的數字機控制、系統設備間的信息的數字傳輸，使系統仿真精度優(yōu)于原先以模擬設備為主的仿真系統，而且設定初始條件、改變控制參數十分方便，增強了系統仿真功能，從而使水下航行器的半實(shí)物仿真技術(shù)進(jìn)入數字一體化的新階段。