導彈電液伺服機構原理仿真裝置的軟硬件設計與實現

引言

電液伺服機構作為導彈控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，廣泛用于各種型號的彈道式導彈上，它的響應速度和精度直接影響導彈的命中精度。對于電液伺服機構這樣一個結構復雜、要求精密的武器裝備，需要電路、液路和氣路多方面的知識，且在測試過程中有嚴格的通電時間限制。目前，基層部隊訓練和軍事院校教學中，由于受通電時間所限，電液伺服機構只能依靠文字、圖片、工作流程的動畫演示。短期崗位任職技能操作訓練，也無法滿足“實物實訓”的教學訓練需求，裝備操作號手無法直觀體驗電液伺服機構內部部件的連接方式和工作過程，不利操作號手對裝備本身和原理的深化認知，成為院校理論教學與部隊操作訓練的瓶頸。

1 電液伺服機構原理簡介

某導彈電液伺服機構組成結構框圖如圖1所示。它由伺服放大器、轉換放大器（電液伺服閥）、液壓執(zhí)行元件、反饋測量元件和液壓源等組成。

伺服放大器：是將指令電壓和反饋電壓信號比較后轉變?yōu)槌杀壤?u>電流，控制電液伺服閥工作，達到精確控制的目的;

電液伺服閥：是轉換和放大元件，它將伺服放大器放大后的電信號轉換為液壓信號（流量、壓力）輸出并加以功率放大;

液壓執(zhí)行元件：是系統(tǒng)在工作中能動作和實現能量轉化的元件。

其中作動筒輸入的是液壓油，輸出的是位移和力矩;反饋測量元件：是測量系統(tǒng)的輸出量，并轉化成反饋信號加入到系統(tǒng)的輸入端，與指令信號進行比較輸出，形成反饋作用，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、精確性。

2 硬件設計與實現

根據某導彈電液伺服機構原理仿真裝置的總體功能要求，在保證與實裝工作過程一致的基礎上，結合該導彈電液伺服機構及其測試的特點和工作原理，利用較為成熟自動控制技術和智能檢測技術，采用先進的ARM嵌入式計算機系統(tǒng)，如圖2所示。

由圖2可以看出，導彈電液伺服機構仿真系統(tǒng)包含能源回路和控制回路。其中能源回路功用是提供恒定壓力、足夠流量液壓工作介質，對控制回路的工作起保證作用，其主要元件包括直流電動機、柱塞泵、蓄能器、油箱、溢流活門、防污染元件、過載保護元件和操作元件等。控制回路是伺服控制系統(tǒng)的核心，是伺服控制系統(tǒng)實現控制的關鍵，主要由伺服放大器、電液伺服閥、作動器和反饋電位計組成，其作用是提供控制信號促使能源回路相應地動作，并通過反饋回路，對能源回路的動作加以檢測，從而判斷整個系統(tǒng)是否已完成了預期的任務。

由于電氣器件的多方面的適應性，因而用它們來進行反饋測量以及信號放大和信號操作都很理想，另一方面，液壓執(zhí)行器的輸出功率大，結構緊湊，作為動力元件十分合適，在一切電氣器件和液壓元件的組合中，都需要一個元件作為連接兩者的橋梁。在控制系統(tǒng)中，這種轉接是由一個電液伺服閥來完成的，伺服閥將小功率的電信號轉變?yōu)殚y的運動，然后閥的運動又去控制流向液壓執(zhí)行器的流量和壓力。

控制電路設計采取功能仿真設計，使用嵌入式ARM計算機構成控制系統(tǒng)。硬件部分主要包括：ARM計算機、接口模塊、驅動板、各設備電路等部分。采取分布式控制方式，以ARM計算機為核心，配合各類接口擴展板，實現各類信號的采集與控制。系統(tǒng)仿真控制采取成熟工業(yè)控制技術，綜合各系統(tǒng)功能需求統(tǒng)一設計制作，各子系統(tǒng)功能接口板，如I/O、A/D、數碼管驅動、電機控制、總線控制等接口板，根據設備需要獨立設計制作，驅動板主要滿足部分電路和器件的功率要求。由于采用計算機進行仿真控制，外圍接口模塊主要完成時序控制、開關量控制、信號采集、電平轉換等，總線結構如圖3所示。

伺服機構控制電路功能仿真模塊主要采用對外接口功能仿真，即利用某導彈電液伺服機構仿真系統(tǒng)可以完成技術陣地電液伺服機構充氣壓力、油面壓力、液壓油溫度檢測等主要任務，再現某導彈電液伺服機構單元測試準備流程中的要點環(huán)節(jié);通過某導彈電液伺服機構仿真軟件及測試流程，給導彈電液伺服機構仿真裝置送入各種測試指令，模擬器根據指令類型及測試進程，仿真各種現象，并在面板上顯示各種狀態(tài)信息。導彈電液伺服機構仿真系統(tǒng)控制面板如圖4所示。

嵌入式ARM計算機綜合處理由電液伺服機構仿真設備發(fā)來的各種操作信息，并進行分類處理，一方面將操作信息發(fā)送到外圍設備處理模塊，使各分電路工作協(xié)調一致，實現信息同步交流與共享;另一方面將處理信息上傳到教學系統(tǒng)終端，進行多媒體教學互動和訓練監(jiān)控與管理，嵌入式ARM計算機模塊與上位機的組合結構圖如圖5所示。外圍模塊主要完成各設備或儀器的功能仿真，既能獨立工作，又通過總線結構，與通用計算機的進行信息交換，保證系統(tǒng)的同步協(xié)調。

導彈電液伺服機構原理仿真裝置通過建立具有與模擬操作測試同步刷新功能的電路、液路和氣路原理軟件演示系統(tǒng)，利用串口通信協(xié)議，接收操作控制面板實時發(fā)送的模擬操作硬件接口信息，啟動相應的測試原理動態(tài)顯示模塊，實現測試原理的實時動態(tài)教學。可直觀、形象的展示電液伺服機構各部件結構、連接關系及其整體配合工作情況，對操作號手認知裝備結構、深化原理掌握，具有較好的支撐和保障作用。

導彈電液伺服機構原理仿真裝置的硬件設計綜合采用光電隔離、電磁屏蔽、數字濾波、軟件容錯等技術，實現控制電路的模塊化、通用化設計，便于提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證系統(tǒng)運行的高可靠性。通過選用工業(yè)級液壓元件仿真電動液壓能源仿真裝置和電液伺服作動器仿真裝置，通過透明液壓管路連接各液壓系統(tǒng)，通過控制面板設計實現伺服機構單元測試實作環(huán)節(jié)仿真，最終實現電液伺服機構原理仿真。

3 軟件設計與實現

系統(tǒng)軟件主要包括管理軟件、主控軟件、子機控制軟件、通信軟件、虛擬仿真軟件、教學軟件等。為提高編程效率，采用了模塊化設。

系統(tǒng)軟件：本系統(tǒng)使用的計算機輔助測試軟件是C語言和組態(tài)軟件。C語言在Windows操作系統(tǒng)下不僅具有很強的圖形處理功能，而且能對I/O接口的數據進行快速的讀寫，還可以直接控制計算機的接口，運行速度快，適于動態(tài)特性試驗，而組態(tài)軟件具有界面直觀和操作方便的特點，適宜進行各種液壓元件的穩(wěn)態(tài)特性試驗。

主控軟件：主要進行操作過程和控制邏輯的仿真，主控程序和相應的硬件電路相配合，完成操作訓練過程中各種開關量的采集、分析判斷、輸出控制，是保證操作模擬系統(tǒng)正常工作的核心軟件。為確保編制效率，方便調試修改，控制主程序采用模塊化設計，共分為：菜單模塊、數據采集模塊、邏輯運算與判斷模塊、開關量輸出模塊、模擬量運算模塊和打印輸出模塊等，各模塊之間采用數據耦合的形式，通過公共接口進行數據傳輸，在協(xié)調系統(tǒng)工作的情況下，有效保證系統(tǒng)運行速度。在整個操作過程中，會根據用戶的操作自動在各顯示界面跳轉，并對數據進行自動判讀，現象、狀態(tài)均與真實界面一致。如果獲取的操作邏輯與已存儲的邏輯均不一致，系統(tǒng)會人為用戶進行了誤操作，停止硬件現象控制，所有狀態(tài)恢復初始值，并在軟件界面給出用戶提示。菜單是電液伺服機構仿真系統(tǒng)進行人機交互的主要界面，菜單提供各種測試項目選擇，程序退出也是由菜單選擇控制的。事件處理部分采用邏輯原理仿真，對錯誤操作具有一定的容錯性，保證了系統(tǒng)在操作出錯情況下不會出現卡死現象。控制主程序流程圖如圖7所示。

通信軟件：主要滿足計算機與計算機之間、計算機與單片機之間以及網絡通信要求。本系統(tǒng)的通訊方式主要包括以太網通訊和RS232串口兩種類型。在設計時，同時考慮了號位硬件響應速度的不同，對RS232串口單獨開辟線程，當需要響應時，以委托的方法向主進程發(fā)送請求，以協(xié)調不同的響應速度并防止程序線程栓塞。

故障診斷軟件：在設備的硬件和軟件上都有故障設置功能，來實現軟、硬件一體化的故障設置及配套系統(tǒng)。硬件設置上留有故障設置開關，軟件上建立故障庫，用來訓練操作號手分析、排除一般故障的能力，并把分析、排除故障的成績記錄，作為訓練管理分系統(tǒng)的原始數據，為號手評定操作等級提供依據。

視景仿真軟件：為了方便教學訓練，電液伺服機構原理仿真系統(tǒng)加入了各設備的3D模型和系統(tǒng)的工作原理演示動畫。利用虛擬現實技術，以虛擬動畫和3D模型形式實現導彈電液伺服機構系統(tǒng)仿真，重現導彈電液伺服機構系統(tǒng)工作全過程，使參訓人員能直觀的了解到測試過程中的設備狀態(tài)變化情況，彌補模擬操作真實感不強的不足。

4 結束語

本文研制的導彈電液伺服機構原理仿真裝置綜合運用現代控制技術、機電一體化技術和視景仿真技術，搭建了系統(tǒng)的硬件平臺，建立了基于實體元件和虛擬視景相結合的復雜裝備的物理仿真模型。系統(tǒng)集成了某導彈電液伺服機構及其測試的教學與訓練功能，能夠完成復雜裝備外觀結構展示、工作過程演示、工作原理學習、故障分析排除等科目，解決了導彈電液伺服機構元件多不宜認知、結構復雜難于拆解、工作過程涉及機電液一體化難于仿真等難題，拓寬了導彈武器復雜裝備模型仿真的新思路。

該導彈電液伺服機構原理仿真裝置既可代替實裝進行分系統(tǒng)教學訓練，又可進行操作流程的教學訓練，還能夠進行簡單的故障分析排除教學訓練，大大減少了導彈部隊采用實戰(zhàn)裝備訓練的次數，降低了教學訓練費用，保證了教學訓練時間，提高了導彈部隊的教學訓練效果，深受基層部隊和相關院校的歡迎。