一种全数字舰炮瞄准随动系统仿真器

总第２２９期　２０１３年第７期　舰船电子工程　Ｓｈｉｐ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．７　７２　一种全数字舰炮瞄准随动系统仿真器　李刚赵岩　葫芦岛１２５０００）　（中国人民解放军９２９４１部队９４分队摘要针对舰炮武器系统仿真试验和武器装备训练半实物终端的需求，设计了一种集运动控制和性能检测于一体的全数字舰炮瞄准　随动系统仿真器。提出了基于ＤＳＰ位置控制器、基于分段智能ＰＩＤ控制算法等硬、软件关键技术的实现方法，并结合ＫＯＩ　ＬＭＯＲＧＥＮ驱动　器一电动机组合的参数分析和设置，进行了整体性能测试。结果表明，仿真器随动控制具有良好的带宽响应，达到各型舰炮的性能指标，并　在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作环境下，实现了随动性能的实时测试、显示和分析。　关键词　随动系统仿真；位置控制器；控制算法；实时测试　中图分类号ＴＰ３９１　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ１６７２－－９７３０．２０１３．０７．０２７　Ａ　Ｅｍｕｌａｔｏｒ　ｏｆ　Ｆｕｌｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｎａｖａｌ　Ｇｕｎ　Ｓｅｒｖｏ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　Ｔａｋｅ　Ａｉｍ　ＬＩＧａｎｇ　ＺＨＡＯＹａｎ　（Ｕｎｉｔ　９４，Ｎｏ．９２９４１　Ｔｒｏｏｐｓ　ｏｆ　ＰＬＡ，Ｈｕｌｕｄａｏ　１２５０００）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｎａｖａｌ　ｇｕｎ　ｗｅａｐｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｗｅａｐｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｈａｌｆ－ｏｂｊｅｃｔ　ｔｅｒｍｉｎａｌ，ａ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏ１　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔ　ｅｍｕｌａｔｏｒ　ｏｆ　ｆｕｌｌ　ｄｉｇｉｔａ１　ｎａｖａｌ　ｇｕｎ　ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｔａｋｅ　ａｉｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａ　ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＤＳＰ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　ｓｕｂｓｅｃｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｏｆ　ＫＯＬＬＭＯＲＧＥＮ　ｄｒｉｖｅｒ－ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈｅ　ｅｍｕｌａｔｏｒ　ｓｅｒｖｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｈａｖｅ　ｗｅｌｌ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｏｆ　ｇｕｎｓ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｔｅｓｔ，ｄｉｓｐｌａｙ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｅｒｖｏ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｕｎｄｅｒ　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ　ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｍｕｌａｔｉｏｎ，ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ，ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｔｅｓｔ　Ｃｌａｓｓ　ｆ、ｌＩ　ｎｂｅｒ　ＴＰ３９１　１　引言　体结构及原理如图　所示。　在军事装备试验领域，仿真试验技术越来越被广泛应　“舰炮武器系统试验半实物仿真系统’网络　用，舰炮武器系统的试验与鉴定应用仿真技术已是必然趋　指令信鄙广架位信息　势Ｉ１］。同时，在现代运动控制领域，永磁交流伺服系统由于　并行１啦广——　——一－］　——弋—＿１　测控计算机　Ｉ　其优异的特性而得到了广泛的应用，全数字化是伺服驱动　技术发展的趋势［２］。作为舰炮武器系统半实物仿真系统的　｛　终端执行子系统，设计开发的以ＤＳＰ为核心的位置控制　１并　｝　亘亟　—压　动器　匝囹　｝　一　器，以永磁同步交流伺服系统为驱动对象的全数字式舰炮　瞄准随动系统仿真器（下文简称仿真器），实现了实时运动　艘通道　控制和性能测试功能。　旋转变压器　２硬件系统实现　并行ｆ２６２Ｉ垦旦　Ｉ　ｌ　图１仿真器结构原理图　仿真器包含测控计算机、随动系统和可调节惯性轴系，　其中随动系统由位置控制器、驱动器、执行电机、减速器、旋　２．１伺服电机与伺服驱动器　转变压器等组成。测控计算机按选择的舰炮类型接收模拟　永磁同步电动机伺服系统集有刷直流电动机和交流异　火控设备发送的舰炮控制指令（自整角机模拟量或并行１６　步电动机驱动控制系统的优点于一体，广泛用于要求有良　位数字量或网络信息），采集随动系统的架位信息，计算误　好的静态性能和高动态响应的伺服驱动中¨３］。因而，随动　差并实时显示；随动系统控制器接收随动系统监控单元发　系统调速执行机构直接选用ＫＯＬＬＭＯＲＧＥＮ公司的中等　送的加密的指令信号，回馈随动系统架位信息，根据指令和　惯量的Ｍ６０５Ｃ永磁同步交流无刷伺服电动机和与之相匹　架位信号进行控制量计算，完成舰炮随动系统的控制。总　配的高性１￣ＢＤＳ５驱动器。ＢＤＳ５驱动器可以实现较宽的　＊收稿日期：２０１３年１月１４日，修回日期：２０１３年２月２１日　作者简介：李刚，男，高级工程师，研究方向：舰炮控制系统试验与工程。赵岩，男，工程师，研究方向：舰炮控制系统试验与工程。　２０１３年第７期　舰船电子工程　７３　响应带宽，电动机设计在正弦波电流放大器驱动下工作，使　电动机具有卓越的连续力矩和峰值力矩特性以及平滑的低　速性能。　２．２位置控制器　位置控制器由ＤＳＰ、并行接口、轴角转换模块、Ｄ／Ａ转　换模块等组成，其基本结构如图２所示。　测控计算机　至测控计算机　输出架位　输出指令　锁存电路　茎　童童卜—　毒『ｌ　　Ｈｌ　Ｉ外Ｄ围ＳＰ电．３，￣路存电路一　历　ｌ转换电路Ｉｌ　　ＩＩ外　围电路．Ｈ　ｌ　ｌｌＩｌ　转３．３换Ｖ电／５　路　匪　控制电压输出　图２位置控制器结构　１）ＤＳＰ及外围电路［　位置控制器的主控芯片为ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片，该　ＤＳＰ芯片具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂　的控制算法和较小的控制周期。ＤＳＰ外接的晶振频率为　３０ＭＨｚ，通过ＰＬＬ倍频后，工作频率在１５０ＭＨｚ。　在电路设计时，根据实际调试的需要外扩了一片１２８Ｋ　字节的ＲＡＭ及ＪＴＡＧ调试接口。Ｆ２８１２采用＋３．３Ｖ的Ｉ／　０控制电压及１．８／１．９Ｖ的核心电路控制电压，这两路电压　都由ＤＳＰ专用的高性能电压转换芯片ＴＰＳ７５７３３和　ＴＰＳ７６８０１Ｑ提供，由于ＴＭＳ３２ＯＦ２８１２ＤＳＰ的上电顺序是　先Ｉ／０口（３．３Ｖ）上电后内核（１．９Ｖ）上电，为了保证上电顺　序，电路上用ＴＰＳ７５７３３的ＰｌＧ端连到ＴＰＳ７６８０１Ｑ的使能端　ＥＮ，当ＴＰＳ７５７３３的输出端输出了稳定的３．３Ｖ电压以后，　ＰＧ引脚上会输出一个低电平，这样可以保证ＤＳＰ先Ｉ／０口　（３．３Ｖ）后内核（１．９Ｖ）的上电顺序。　为保证数据读写的正确可靠，由专用电平转换芯片　７４ＡＬＶＣ１６４２４５进行５Ｖ／３．３Ｖ电平转换，来实现控制总线　上５Ｖ／３．３Ｖ电平的双向转换、有关输出控制信号的３．３Ｖ　～５Ｖ控制信号转换和有关输入状态信号的５Ｖ～３．３Ｖ信　号转换功能。　并行１６位位置指令和两路并行（粗／精）１２位架位反　馈信号采集以及粗精组合后的１６位架位信号输出，分别由　两片７４ＨＣ５７３芯片构成的锁存电路进行锁存。　２）Ｄ／Ａ转换电路　Ｔ一Ｉ．一　．　．．．．Ｄ１２　ＤＩ１＝：ａ０１　１ＯＶ　１０Ｖ　图３输出匹配电路　控制电路的数据总线为１６位，为简化电路设计的环　节，提高控制系统的可靠性，Ｄ／Ａ转换器选用１６位的　ＡＤ６６９，ＡＤ６６９的最大输出为双极性±ＩＯＶ，±１５Ｖ供电，　因此在Ｄ／Ａ转换电路后不进行电平放大就能满足控制的　需要。电压输出控制时，一方面为与驱动电路进行阻抗匹　配，同时也使电路具有一定的输出驱动能力，在Ｄ／Ａ转换　电路后设计一级电压跟随电路，并设计有一阶平滑滤波器，　对输出控制电压起到平滑作用，电路如图３。　２．３双通通道旋转变压器　旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置ｌ＿７］。　仿真器采用极对数比为１：３２的ｌｌ０ＸＦＳＷ００５双通道旋转　变压器为随动系统位置检测元件，其激磁频率４００Ｈｚ，激磁　电压２６Ｖ。精机测量精度±２Ｏ　，粗机为士３Ｏ　。旋转变压器　粗、精通道各有四线输出，由ＲＤＣ数字轴角编码器将其分别　编码，然后通过软件方法进行粗精组合，得到实际位置信息。　３软件系统实现　仿真器软件系统划分成若干相互独立的模块，模块间　采用弱耦合性和强内聚性设计，使程序结构变得清晰，给程　序的理解、验证及维护带来方便。软件系统包括控制软件　和监控测试软件。　粗　精　（ｂ）　图４粗精数据对应关系及数据处理流程图　３．１控制软件　控制软件执行过程中，主要完成系统初始化、系统自　检、读取随动监控计算机发送的ＩＯ指令、读取ＲＩＸ：返回数　据、控制算法设计及控制输出等任务。　１）粗精组合处理　两个ＲＩＸ：轴角编码器模块的输入端连接极对数之比　为１：３２双通道旋转变压器，模块产生差３２倍的双１２位位　置信息，通过粗精组合算法生成１６位精度位置反馈量。如　图４（ａ）所示，在理想的位置反馈结果输出情况下，粗的Ｄ６　～ＤＯ位应该等于精的Ｄｌｌ～Ｄ５位，这样可以得到１６位精　度的位置量数据，其前５位数为粗的Ｄｌｌ～Ｄ７，后１１位为　精的Ｄ１１～ＤＯ。　但是系统的误差不可避免，所以粗的Ｄ６～ＤＯ与精的　ＤＩＩ￣Ｄ５通常是不相等的。以双通道旋转变压器正转为基　准，考虑可能产生的误差状况：第一种情况：精的Ｄｌｌ已经　进位（数据丢失），而粗的Ｉ３６未向Ｄ７进位；第二种情况：精　２０１３年第７期　４．２前馈控制量处理　舰船电子工程　７５　帅　∞　如　。　枷　踟　砷　如　。　霉＝　枷　按某型舰炮负载转动惯量在执行电机轴上的折算　值，调节可调惯量轴转动惯量为Ｊ一０．０７５０ｋｇｍ　，通过　计算两次　最旧数据　测控计算机应用界面设置运动参数。运动测试曲线如　目标位置误差　图８，图８（ａ）为９Ｏ。阶跃运动曲线，（ｂ）为Ａ一±３０。、丁一　Ｉ　保存１４次最新差值　６．２８ｓ的正弦运动曲线。测试结果表明，随动系统运行　平稳，静、动态性能良好，满足各项技术指标要求；仿真　器在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作环境下，人机交互性好，能够完成实　时测控任务。　５　结语　最新数据　全数字舰炮随动系统仿真器，即可作为武器系统仿真　图６前馈滤波　图７二阶前馈计算　试验的执行终端，受控于模拟火控设备，工作在网络模式　下，又可作为科研载体独立工作。与舰炮实装相比，硬件采　在控制算法中，采用１２步一１６步的位置误差信息进　用ＤＳＰ位置控制器和多极旋转变压测角元件，具有良好的　行相关处理，得到一阶前馈量（图６）。同时，为有效跟踪正　可开发性；软件进行了Ｗｉｎｄｏｗｓ操作环境的实时性开发，　弦信号，采用如图７所示处理方法：保存最近的ｍ次目标位　而非采用ＶｘＷｏｒｋｓ这样的实时嵌入操作系统，大大降低了　置差Ａｎ（Ａｎ：第　次目标位置一第　一１次目标位置），通过　开发成本。　判断Ａｎ的变化趋势来得到正弦信号的加速度变化趋势。　实际调试中，发现ｍ一１６时，取两个相隔８次的Ａｎ来取得　正弦加速度的趋势效果较好。即取Ａｃｃ一（△１２Ｏ一△１１２）一　参考文献　（△１１２一△１Ｏ４），将Ａｃｃ放大适当倍数后，加入到控制量中，　在跟踪正弦信号时，系统误差明显减小。　４．３测试结果　［１］黄守训．舰炮武器系统试验与鉴定［Ｍ］．北京：国防工业出版　社，２００５：２７６—２７８．　１９６＿５０　ｒｄ　ｄ｛　［２］郭丽，石航飞．基于ＤＳＰ的双轴交流伺服运动控制系统［Ｊ］．兵　｜　１Ｉ　工自动化，２０１０，２９（９）：７９—８１．　，　ｎ　［３］高键，姜星星．基于ＳＶＭ的永磁同步电机直接转矩控制的仿真　Ｉ　２　３　４　５　６　７　８　研究［Ｊ］．科学技术与工程，２０１３，１３（１）：６３—６９．　Ｉ　［４］雷启华，楼佩煌，郭超．基于ＴＭＳ３２ＯＦ２８１２的全数字交流伺服　系统设计［Ｊ］．电力电子技术，２０１０，４４（４）：４８—５０．　［５］卢志刚，吴杰，吴潮．数字伺服控制系统与设计［Ｍ］．北京：机械　口ｊ口图图曰圈口日口　（ａ）　工业出版社，２００７：１６５—１７８．　［６］陈是知，姜蕊辉．ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２原理与开发实践［Ｍ］．北京：中　ｎｒｄｄ　国电力出版社，２０１０：１３６—１４５．　　ｊ【　ｍｉ　【＿＿　［７］李立宇，张双喜，李长兵，等．旋转变压器数字位置解算法在坦　．／　．＿．　／Ｉ獭　克炮控中的应用ＥＪ］．火力与指挥控制，２０１１，３６（１１）：１４７—１５０．　ｒ’　、　—驯Ｖ哪　Ｉ’　’　ｌＩ『Ｉｌ　。ｔ　３　）ＩｌＩｌ『　。４０　［８］彭世忠，周彦江，崔立辉．一种提高伺服系统快速响应能力的控　ｌ　’９　‘ｌ『’　制算法［Ｊ］．兵工自动化，２０１０，２９（１２）：７６—７８．　［９］雷文彬．一种非线性ＰＩＤ控制算法的仿真研究［Ｊ］．计算机仿　口口图囹巨　圈口口　真，２０１２，２９（４）：２６８—２７１．　（ｂ）　－［１ｏ］项小东，白国振．基于运动控制卡的伺服控制系统开发研究　图８仿真器随动系统测试曲线　Ｉ－Ｊ］．机电工程技术，２０１０，３９（１１）：２０—２２．　‘　‘｝　‘　＾　＝　＝　Ｊ　＾●　‘　＾　＇　‘　＝　＝　＾　’　＇　ｔ＾●　’　＇：　●　＾＇　＇＝　＾＇　＇：　Ｊ　＾０：　＾　＾・：　‘　＾　：　（上接第５０页）　现［Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（６）：８０—８２．　的设计与实现［Ｊ］．梧州学院学报，２００８，１８（３）：３６—４１．　［７］丁卫东，郭前岗，周西峰．一种基于ＦＰＧＡ的ＳＰＷＭ波的实时　－Ｉ９］刘凤君．正弦波逆变器［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２：１０１—１０３．　生成方法［Ｊ］．计算机技术与发展，２０１１，４１（２）：２１１—２１４．　［１Ｏ］刘风君．环保节能型Ｈ桥及ＳＰＷＭ直流电源式逆变器［Ｍ］　Ｅ８］黄永庆，甘金明．基于ｃＰＬＤ／ＦＰＧＡ的三相ＳＰＷＭ波形发生器　北京：电子工业出版社，２０１０：２１—２６．