動(dòng)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(dòng)性能為目標(biāo)，闡述了一種坦克兵動(dòng)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(dòng)的實(shí)時(shí)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(dòng)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(dòng)態(tài)模擬訓(xùn)練器的研究提供了參考。
關(guān)鍵詞：坦克兵動(dòng)態(tài)訓(xùn)練模擬器；嵌入式控制系統(tǒng)；液壓控制；實(shí)時(shí)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(shì)，但是坦克行進(jìn)路線和路況少，耗油量大。坦克兵動(dòng)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(dòng)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(dòng)作實(shí)時(shí)性和地面多種行駛姿態(tài)，并利用三個(gè)液壓缸支撐一個(gè)平面的設(shè)計(jì)，形成三自由度的運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)性要求。三自由度控制的復(fù)雜運(yùn)算采用煙臺(tái)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(dòng)態(tài)訓(xùn)練模擬器的工作原理
坦克兵動(dòng)態(tài)訓(xùn)練模擬器液壓部分是由三個(gè)液壓伺服缸支撐一個(gè)平面，使其能形成三自由度的運(yùn)動(dòng)，以模擬坦克在不同的地面上的行駛姿態(tài)。其中，三個(gè)油缸的運(yùn)動(dòng)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(hào)，分別經(jīng)過D／A變換、放大，轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)去控制三個(gè)伺服閥的開度和方向，從而獨(dú)立控制三個(gè)油缸的運(yùn)動(dòng)方向和速度，使底部的三路油缸控制頂部平臺(tái)做三自由度的運(yùn)動(dòng)。為了能夠正確調(diào)整油缸的移動(dòng)，通過與油缸相連的位移傳感器的反饋信號(hào)構(gòu)成各自由度位置閉環(huán)控制，將油缸位移電壓信號(hào)與計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)比較，然后根據(jù)差值信號(hào)，糾正油缸移動(dòng)的實(shí)際位置。因此，位移傳感器輸出的是負(fù)反饋信號(hào)。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(duì)應(yīng)油缸移動(dòng)距離0～200 ms，且D／A輸出與油缸移動(dòng)距離成正比；位移傳感器的輸出為0～10 V，對(duì)應(yīng)油缸0～200ms的移動(dòng)距離，且與油缸移動(dòng)距離成正比。
為保證油的順利流動(dòng)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(shí)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(bào)警信號(hào)，同時(shí)送出關(guān)機(jī)信號(hào)，關(guān)掉油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
另外，油溫的范圍也會(huì)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(hào)，并送計(jì)算機(jī)處理；當(dāng)油溫較高時(shí)，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(bào)警。當(dāng)油溫較低時(shí)，停止送水。
整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。