導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)仿真裝置研制

摘要：在簡(jiǎn)單介紹某導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了基于ARM的仿真裝置硬件功能模塊設(shè)計(jì)制作，軟件設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)。最后通過試驗(yàn)表明該裝置性能穩(wěn)定可靠，實(shí)用性強(qiáng)，不受通電時(shí)間限制，提高了導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)的教學(xué)和訓(xùn)練效果。

引言

　　電液伺服機(jī)構(gòu)作為導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，廣泛用于各種型號(hào)的彈道式導(dǎo)彈上，它的響應(yīng)速度和精度直接影響導(dǎo)彈的命中精度。對(duì)于電液伺服機(jī)構(gòu)這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)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(shí)，且在測(cè)試過程中有嚴(yán)格的通電時(shí)間限制。目前，基層部隊(duì)訓(xùn)練和軍事院校教學(xué)中，由于受通電時(shí)間所限，電液伺服機(jī)構(gòu)只能依靠文字、圖片、工作流程的動(dòng)畫演示。短期崗位任職技能操作訓(xùn)練，也無(wú)法滿足“實(shí)物實(shí)訓(xùn)”的教學(xué)訓(xùn)練需求，裝備操作號(hào)手無(wú)法直觀體驗(yàn)電液伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)部部件的連接方式和工作過程，不利操作號(hào)手對(duì)裝備本身和原理的深化認(rèn)知，成為院校理論教學(xué)與部隊(duì)操作訓(xùn)練的瓶頸。

1 電液伺服機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)介

　　某導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。它由伺服放大器、轉(zhuǎn)換放大器(電液伺服閥)、液壓執(zhí)行元件、反饋測(cè)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(hào)比較后轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀壤碾娏?，控制電液伺服閥工作，達(dá)到精確控制的目的;

　　電液伺服閥：是轉(zhuǎn)換和放大元件，它將伺服放大器放大后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)(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(dòng)作和實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的元件。

　　其中作動(dòng)筒輸入的是液壓油，輸出的是位移和力矩;反饋測(cè)量元件：是測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，并轉(zhuǎn)化成反饋信號(hào)加入到系統(tǒng)的輸入端，與指令信號(hào)進(jìn)行比較輸出，形成反饋?zhàn)饔茫ＷC系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、精確性。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)某導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)原理仿真裝置的總體功能要求，在保證與實(shí)裝工作過程一致的基礎(chǔ)上，結(jié)合該導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)及其測(cè)試的特點(diǎn)和工作原理，利用較為成熟自動(dòng)控制技術(shù)和智能檢測(cè)技術(shù)，采用先進(jìn)的ARM嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如圖2所示。

　　由圖2可以看出，導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)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(zhì)，對(duì)控制回路的工作起保證作用，其主要元件包括直流電動(dòng)機(jī)、柱塞泵、蓄能器、油箱、溢流活門、防污染元件、過載保護(hù)元件和操作元件等?？刂苹芈肥撬欧刂葡到y(tǒng)的核心，是伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵，主要由伺服放大器、電液伺服閥、作動(dòng)器和反饋電位計(jì)組成，其作用是提供控制信號(hào)促使能源回路相應(yīng)地動(dòng)作，并通過反饋回路，對(duì)能源回路的動(dòng)作加以檢測(cè)，從而判斷整個(gè)系統(tǒng)是否已完成了預(yù)期的任務(wù)。

　　由于電氣器件的多方面的適應(yīng)性，因而用它們來進(jìn)行反饋測(cè)量以及信號(hào)放大和信號(hào)操作都很理想，另一方面，液壓執(zhí)行器的輸出功率大，結(jié)構(gòu)緊湊，作為動(dòng)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(gè)元件作為連接兩者的橋梁。在控制系統(tǒng)中，這種轉(zhuǎn)接是由一個(gè)電液伺服閥來完成的，伺服閥將小功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殚y的運(yùn)動(dòng)，然后閥的運(yùn)動(dòng)又去控制流向液壓執(zhí)行器的流量和壓力。

　　控制電路設(shè)計(jì)采取功能仿真設(shè)計(jì)，使用嵌入式ARM計(jì)算機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)。硬件部分主要包括：ARM計(jì)算機(jī)、接口模塊、驅(qū)動(dòng)板、各設(shè)備電路等部分。采取分布式控制方式，以ARM計(jì)算機(jī)為核心，配合各類接口擴(kuò)展板，實(shí)現(xiàn)各類信號(hào)的采集與控制。系統(tǒng)仿真控制采取成熟工業(yè)控制技術(shù)，綜合各系統(tǒng)功能需求統(tǒng)一設(shè)計(jì)制作，各子系統(tǒng)功能接口板，如I/O、A/D、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)、電機(jī)控制、總線控制等接口板，根據(jù)設(shè)備需要獨(dú)立設(shè)計(jì)制作，驅(qū)動(dòng)板主要滿足部分電路和器件的功率要求。由于采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真控制，外圍接口模塊主要完成時(shí)序控制、開關(guān)量控制、信號(hào)采集、電平轉(zhuǎn)換等，總線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　伺服機(jī)構(gòu)控制電路功能仿真模塊主要采用對(duì)外接口功能仿真，即利用某導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)仿真系統(tǒng)可以完成技術(shù)陣地電液伺服機(jī)構(gòu)充氣壓力、油面壓力、液壓油溫度檢測(cè)等主要任務(wù)，再現(xiàn)某導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)單元測(cè)試準(zhǔn)備流程中的要點(diǎn)環(huán)節(jié);通過某導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)仿真軟件及測(cè)試流程，給導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)仿真裝置送入各種測(cè)試指令，模擬器根據(jù)指令類型及測(cè)試進(jìn)程，仿真各種現(xiàn)象，并在面板上顯示各種狀態(tài)信息。導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)仿真系統(tǒng)控制面板如圖4所示。

　　嵌入式ARM計(jì)算機(jī)綜合處理由電液伺服機(jī)構(gòu)仿真設(shè)備發(fā)來的各種操作信息，并進(jìn)行分類處理，一方面將操作信息發(fā)送到外圍設(shè)備處理模塊，使各分電路工作協(xié)調(diào)一致，實(shí)現(xiàn)信息同步交流與共享;另一方面將處理信息上傳到教學(xué)系統(tǒng)終端，進(jìn)行多媒體教學(xué)互動(dòng)和訓(xùn)練監(jiān)控與管理，嵌入式ARM計(jì)算機(jī)模塊與上位機(jī)的組合結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。外圍模塊主要完成各設(shè)備或儀器的功能仿真，既能獨(dú)立工作，又通過總線結(jié)構(gòu)，與通用計(jì)算機(jī)的進(jìn)行信息交換，保證系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)。

　　導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)原理仿真裝置通過建立具有與模擬操作測(cè)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(shí)時(shí)發(fā)送的模擬操作硬件接口信息，啟動(dòng)相應(yīng)的測(cè)試原理動(dòng)態(tài)顯示模塊，實(shí)現(xiàn)測(cè)試原理的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)教學(xué)?？芍庇^、形象的展示電液伺服機(jī)構(gòu)各部件結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系及其整體配合工作情況，對(duì)操作號(hào)手認(rèn)知裝備結(jié)構(gòu)、深化原理掌握，具有較好的支撐和保障作用。