動態(tài)訓(xùn)練模擬器液壓控制裝置系統(tǒng)

摘要：以美國主站坦克M1A1的運(yùn)動性能為目標(biāo)，闡述了一種坦克兵動態(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)動的實(shí)時性和同步性的缺點(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)練模擬器操作簡便，運(yùn)行穩(wěn)定，較好地滿足了坦克兵模擬動態(tài)訓(xùn)練的要求。這里研制的數(shù)字液壓控制裝置系統(tǒng)給其他類型的動態(tài)模擬訓(xùn)練器的研究提供了參考。
關(guān)鍵詞：坦克兵動態(tài)訓(xùn)練模擬器；嵌入式控制系統(tǒng)；液壓控制；實(shí)時控制

0 引言
    長期以來，坦克手的培訓(xùn)都是利用真實(shí)的坦克和場地進(jìn)行的，這樣的訓(xùn)練盡管具有實(shí)地演練優(yōu)勢，但是坦克行進(jìn)路線和路況少，耗油量大。坦克兵動態(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)練模擬器的動作實(shí)時性和地面多種行駛姿態(tài)，并利用三個液壓缸支撐一個平面的設(shè)計(jì)，形成三自由度的運(yùn)動姿態(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)漂移等問題使得模擬系統(tǒng)難以保證長期可靠運(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)時性要求。三自由度控制的復(fù)雜運(yùn)算采用煙臺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內(nèi)外公開發(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)算的控制器在國內(nèi)期刊上鮮見發(fā)表。

1 動態(tài)訓(xùn)練模擬器的工作原理
    坦克兵動態(tài)訓(xùn)練模擬器液壓部分是由三個液壓伺服缸支撐一個平面，使其能形成三自由度的運(yùn)動，以模擬坦克在不同的地面上的行駛姿態(tài)。其中，三個油缸的運(yùn)動軌跡由用戶在人機(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，分別經(jīng)過D／A變換、放大，轉(zhuǎn)換成電流信號去控制三個伺服閥的開度和方向，從而獨(dú)立控制三個油缸的運(yùn)動方向和速度，使底部的三路油缸控制頂部平臺做三自由度的運(yùn)動。為了能夠正確調(diào)整油缸的移動，通過與油缸相連的位移傳感器的反饋信號構(gòu)成各自由度位置閉環(huán)控制，將油缸位移電壓信號與計(jì)算機(jī)輸出信號比較，然后根據(jù)差值信號，糾正油缸移動的實(shí)際位置。因此，位移傳感器輸出的是負(fù)反饋信號。本文計(jì)算機(jī)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓為0～10 V。開路狀態(tài)下，D／A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓0～10 V對應(yīng)油缸移動距離0～200 ms，且D／A輸出與油缸移動距離成正比；位移傳感器的輸出為0～10 V，對應(yīng)油缸0～200ms的移動距離，且與油缸移動距離成正比。
    為保證油的順利流動和油泵的正常工作，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壓力傳感器和液位傳感器送到計(jì)算機(jī)實(shí)時監(jiān)控。如果發(fā)現(xiàn)油壓過高或過低，通過旋轉(zhuǎn)溢流閥開關(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。如果液面過低，計(jì)算機(jī)將產(chǎn)生報警信號，同時送出關(guān)機(jī)信號，關(guān)掉油泵驅(qū)動電機(jī)。
    另外，油溫的范圍也會影響油泵的正常工作，系統(tǒng)通過油箱中的溫度傳感器提取溫度信號，并送計(jì)算機(jī)處理；當(dāng)油溫較高時，系統(tǒng)將輸入冷水使油降溫；如果油溫超過一定溫度，計(jì)算機(jī)將報警。當(dāng)油溫較低時，停止送水。
    整個系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 硬件
    坦克兵動態(tài)訓(xùn)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(jì)算機(jī)
    系統(tǒng)采用了嵌入式平板電腦ZY-100作為人機(jī)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(xùn)練器通過底部的三路油缸控制頂部平臺的運(yùn)動，油缸的運(yùn)動軌跡由給定的計(jì)算公式得出，控制的難點(diǎn)在于三路油缸的實(shí)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(yùn)動位置，達(dá)不到實(shí)時性要求就無法對油缸位置進(jìn)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(yùn)動軌跡，達(dá)不到預(yù)定的目的。
    液壓伺服系統(tǒng)控制效果好是因?yàn)椴捎媚M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(yùn)行，用數(shù)字系統(tǒng)代替模擬系統(tǒng)時，只有當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)采樣時間和響應(yīng)(循環(huán)周期)時間達(dá)到1～2 ms時基本上與模擬系統(tǒng)一樣，達(dá)到1 ms時，效果更好。為了滿足液壓系統(tǒng)的實(shí)時性和穩(wěn)定性要求，先后試驗(yàn)過工控機(jī)、PLC等多種控制平臺，但是大多不能滿足苛刻的實(shí)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(jì)了嵌入式控制器一一嵌入式平板電腦ZY-100作為人機(jī)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(jìn)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(dāng)前位置，與給定的目標(biāo)位置進(jìn)行比較輸出，控制油缸的運(yùn)動。在CPU強(qiáng)大的計(jì)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(shí)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(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)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(biāo)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(dú)立模出；
    (4)3路計(jì)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(jī)時有三角型接法到星型接法的轉(zhuǎn)換，需要延時6 s；電機(jī)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(fù)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(jī)啟動、停止；控制溢流閥的開啟、停止；當(dāng)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(shí)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(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)了M1A2主戰(zhàn)坦克的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)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(jì)主要有三個特點(diǎn)：
    (1)三自由度控制這種程度的復(fù)雜運(yùn)算來用煙臺中宇航空液壓有限公司的平板電腦完成，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、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(shí)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(yùn)行的缺點(diǎn)，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(shí)時和同步控制的缺點(diǎn)。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(jìn)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(jī)界面操作平臺實(shí)現(xiàn)了傻瓜式操作，減少學(xué)習(xí)設(shè)備的訓(xùn)練強(qiáng)度。
    (3)模擬的道路狀況可通過實(shí)時采集數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)。目前，正在進(jìn)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(jì)的M1A2型主戰(zhàn)坦克的坦克兵動態(tài)訓(xùn)練模擬器，界面操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時性好，較好地滿足了對坦克手的模擬訓(xùn)練要求。實(shí)驗(yàn)效果表明，該坦克兵動態(tài)訓(xùn)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(xùn)練。
    本文的研究成果不僅為坦克兵訓(xùn)練模擬器的進(jìn)一步完善打下基礎(chǔ)，也為諸如飛機(jī)、太空艙等其他類型的訓(xùn)練模擬器的研究提供了參考。