基于液压马达的防空高炮随动负载仿真系统设计.pdf

2 0 1 1 年 l 0月 第 3 9卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE TOOL＆ HYDRAUL I CS Oc t ． 2 01 1 V0 1 ． 3 9 No ．1 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 9 ． 0 1 9 基于液压马达的防空高炮随动负载仿真系统设计 ’ 赫赤 ，董彦 良2 ，李强 ，董光玲 1 ．中国白城兵器试验 中心，吉林 白城 1 3 7 0 0 1 ；2 ． 哈 尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要 简述了防空高炮随动负载仿真系统在武器系统设计定型试验中的主要用途，介绍了基于双联液压马达的负载仿 真系统设计 、系统组成及工作原理 ，建立了影响高炮随动系统性能的几种冲击模型，重点研究 了液压马达的选型、力矩／ 压力双反馈控制、无级变速比模拟系统设计等关键技术，并给出了有效的解决方法。 关键词液压马达；高炮随动系统 ；负载仿真；系统设计 中图分类号T J 3 0 8 8 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 9 0 6 3 4 De s i g n f o r Lo a d S i mul a t i o n Sy s t e m o f Ant i a i r c r a f t Gu n Se r v o Sy s t e m Ba s e d o n Hy dr a u l i c M o t o r H E C h i ，D O N G Y a n l i a n g ，L I Q i a n g ，D O N G G u a n g l i n g 1 ． C h i n a B a i c h e n g O r d n a n c e T e s t C e n t e r ，B a i c h e n g J i l i n 1 3 7 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ，H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，H a r b i n He i l o n g j i a n g 1 5 0 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t U s a g e o f l o a d s i mu l a t i o n s y s t e m f o r a n t i a i r c r a f t g u n s e r v o s y s t e m i n w e a p o n s y s t e m a p p r o v a l t e s t w a s s p e c i f i e d ． De s i g n o f l o a d s i mu l a t i o n s y s t e m b a s e d o n p a i r v a n e h y d r a u l i c mo t o r ， c o mp o s i t i o n a n d o p e r a t i o n p r i n c i p l e o f t h e s y s t e m we r e i n t r o d u c e d ． S e v e r a l i mp a c t i o n mo d e l s for a n t i - a i r c r a f t gu n s e r v o s y s t e m we r e b u i h ． T h e k e y t e c h n o l o g i e s o f s i mu l a t i o n s y s t e m d e s i g n， s u c h a s c h o i c e o f h y d r a u l i c mo t o r ， d o u b l e f e e d b a c k c o n t r o l o f mo me n p r e s s u r e， s i mu l a t i o n s y s t e m d e s i g n o f i n f i n i t e v a r i a b l e s p e e d ， we r e s t u d i e d ． E f f e c t i v e s o l u t i o n s o f k e y t e c h n o l o g i e s we r e p r e s e n t e d ． Ke y wo r ds Hy d r a u l i c mo t o r ；An t i - a i r c r aft gu n s e r v o s y s t e m ；L o a d s i mu l a t i o n；S y s t e m d e s i g n 在高新技术的 “ 空地一体化”战争 中，防空作 战效能的优劣对 战役 的胜负有着重 大的影响 。近几 年 发生的局部战争均是从空 中打击 开始 ，因此 ，世界 各 军事强 国更加注重 防空武器 的研 制与装备。 ’ 防空高炮 是 防空 武器 系 统 的重 要 组 成部 分 ， 目 前，受到世界先进国家重视。我国也加大了防空高炮 的研发力度，近几年先后研制了多种型号的牵引式高 炮和 自行高炮 。新型武器必须 通过国家靶场 的定型试 验，合格后方可装备部队使用。随动系统是防空高炮 武器系统的重要组成部分，其性能的优劣直接影响全 系统 的作 战使用效果 。因此在定 型试 验 中对随动系统 进行全面系统的考核是保证武器系统达到设计研制要 求 的重要 环节。 随着建模与仿真技术的 日益成熟，其在武器系统 设计 、研制及定 型试验 中的应 用越来越广泛 。国内有 关火炮武器系统仿真研究多数为基于计算机的数学仿 真 ，如利用 WI S E仿真软件工具开发的舰炮综合 火控全数字仿真系统 ；有关防空高炮训练仿真方法 的研究也取得一定进展，研究方向多集中在武器系统 的操作使用与维护保养方面 。 。在武器定型试验 中 ，我 国海军某 部已研 制出基于交流伺服 电机 的火炮 随动负载仿真系统 。 以上研究主要立足于数字仿真，某些半实物仿真 技 术还处 于研究阶段 ，主要用 于武 器系统 研制 阶段 。 作者重点研究基于双联液压马达的防空高炮随动负载 仿真系统设计，该系统属于半实物仿真系统，主要用 于高炮随动系统设计定型试验，完成环境适应性试 验、可靠性补充试验、路谱及射击力矩冲击模拟试验 等试验项 目，考核随动系统性能是否满足战术技术指 标 要求。同时 ，对系统设计 中涉及到 的关键技术进行 深入系统的分析 。 1 系统组成及工作原理 1 ． 1 主要技 术指 标 1 惯性力矩 范围0～1 0 0 N m；精度 2 ％ F S 。 2 静阻力矩 范 围0 2 0 N m；精 度 5 ％ F S 。 3 射击力矩 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 0 2 基金项 目国防科研基金资助项 目 作者简介赫赤 1 9 6 4 一 ，男 ，满族，工学博士，高级工程师，研究方向为火炮随动系统鉴定试验技术。Em a i l d o n g y a nl i a ng 1 6 3． CO B 。 6 4 机床与液压 第 3 9卷 频 率 0～ 0 ． 5 H z ，力矩 范围 0～ 3 0 0 N r n ； 频率 0 ． 5～ 5 0 H z ，力矩范 围 0～ 1 0 0 N m； 精度 2 ％ F S 。 4 射击冲击频率 范围5 0 H z ，精度 1 ％。 5 路谱冲击力矩 范围0～ 2 0 N m，精度 5 ％ F S 。 1 ． 2 系统组 成 防空高炮随动负载仿真系统按实际工况条件模拟 火炮随动系统 的静 阻力矩 、惯性力矩 、正弦力矩和冲 击 力矩负载试验 。试验系统采用 电液伺服闭环控制技 术 ，以双联液压马达做负载力矩模拟元件，并与控 制、测试系统组成闭环控制系统，具有高精度、高频 响 、系统稳定 、主机结构紧凑等特点 。 高炮随动负载仿真系统控制框图如图 1 所示。 星 重 量 _ - 1 三 丝 卜 _ _ - 1 堑 垫 r一-一一-一一●一一一一一一-一一-一一-一一-一一一-一1 图 1 负载仿真系统控制框图 系统由两部分组成其一为防空高炮随动系统 图中虚线框内 ，包括被试 电机 、随动控制箱及功 率放大器等；其二为液压负载模拟部分 ，包括计算 机、伺服控制器、液压动力系统、变速箱、扭矩传感 器、传动比模拟系统、液压负载模拟系统等。图中虚 线为 C A N总线连接；双实线为液压管路连接 ；加粗 实线为机械连接 。 1 ． 3 工作 原 理 当所需模拟的射击、惯性、静阻、正弦力矩解算 到液压负载模拟元件液压马达输入轴处 ，计算机发出 的指令至伺服控制器，伺服控制器控制高频响电液伺 服阀动作，电液伺服阀通过控制液压马达的进 、出口 压力和流量而控制其扭矩 ，从而完成负载模拟任务。 控制指令在计算机的虚拟面板上进行设置。系统 扭矩控制指令 F函数表达式如式 1 所示 F F 静 F 惯 F 正 F 冲 1 其中F 静 为静阻力矩 ，是指定大小的恒定扭矩 ，其 施 加 的 方 向为 被试 执 行 电机 转 速 方 向 的反 向阻 力 矩 ，指令动作 信号取之于 电机 的测速 系统 ；F 惯 ． ， 轴 O r i ／ 1 8 0为惯性力矩，其中0为火炮随动系统 加速度，．， 电 机 轴 为折算到随动系统 电机轴上 的转动惯 量，i 为火炮的传速比； F 为射击冲击力矩 ，是具有 指定幅度、宽度、频率的脉冲信号；F 为正弦力矩， 是具有指定幅值 、周期的正弦力矩，主要用于模拟路 谱对随动系统的冲击。 由于惯 性力矩 为被试执行 电机角加速度 函数 ，其 大小和方向随角加速度的加减而变化，角加速度信号 取之 于被试 电机的测速系统。 控制系统采用扭矩控制方式的电液伺服闭环控制 技术 ，每个通道均为有差闭环伺服控制系统，由信号 源输出控制指令信号，与反馈信号进行 比较产生一个 误差信号，这个误差信号经过 P I D调节，送到伺服阀 的驱动器上，控制伺服阀驱动液压负载模拟系统，使 其按着给定指令模拟扭矩动作。整个控制过程就是调 节器不断地调整驱动器的输出，使其输出信号与给定 信号之间的误差最小，完成系统有差闭环伺服控制。 液压负载模拟系统采用双联液压马达作负载模拟 执行 元件 ，该 双联 液压 马达采 用 串联 结构 连接方 式 。 根据不同的试验需求，两个液压马达可单独使用或两 个复合使用，每个液压马达均安装压力传感器用于测 量其出口压力。其中小功率液压马达可以模拟高射 频、小扭矩的冲击负载及静阻和正弦力矩，大功率液 压马达可以模拟低射频、大扭矩的复合负载。 2 冲击仿真模型的建立 防空高炮随动系统负载仿真器用在该武器系统定 型试验中，除了模拟火炮 回转部分惯量外，主要模拟 火炮射击冲击和 “ 行进间”各种路谱对武器系统作 战效能的影响。其 中，路谱冲击模型的建立是课题研 究重点与难点之一，图2为冲击加载模型框图。 图2 冲击加载模型框图 火炮 “ 行进间”路谱冲击是通过悬挂装置、机 械传 动装置作用到被试武器 系统驱动 电机上 。作者利 用 MA T L A B建立几种典型路谱的数学模型并产生相 应的模型及其功率谱序列文件 ，然后利用 A D A M S建 立路谱仿真模型。 自行高炮在战术机动时，驾驶员将以一定速度行 第 l 9期 赫赤 等基于液压马达的防空高炮随动负载仿真系统设计 6 5 驶 ，而该速度受地形情况和车辆行驶能力等条件制 约。对于行驶在沥青和水泥路上的车辆 ，将受到最苛 刻的振动冲击 ，构成最严酷的振动环境，因此 ，仿真 过程 中采用沥青和水泥材质 的路面 。 有关射击冲击模型和路谱冲击模型建模方法 ，由 于文章篇幅限制，作者在其他文献中做详细论述。 3 关键技术研究 3 ． 1 液压 双联 马达 的选型 高炮随动系统负载主要 由静阻力矩、惯性力矩、 正弦力矩 路谱冲击和射击冲击力矩组成 ，前三 者属于低频大功率力矩，而射击冲击力矩还包含高频 小功率力矩。如果采用单马达方式，其结果将要求液 压马达具有超高的频率、超大的流量 ，这不但大大降 低 系统 的性能价格 比，而且在工程实现上也有一定难 度 。 仿真系统设计时，考虑采用低频大流量与高频小 流量液压马达实现随动系统的负载仿真。 为真实地模拟作用在被试随动系统电机轴上的冲 击力矩 ，选择双联液压马达做负载模拟元件。其中小 功率液压马达用于高射频小扭矩冲击负载试验 ，大功 率液压马达用于低射频大扭矩的负载模拟试验。系统 采用电液伺服阀控制液压马达的进、出口压力，以达 到间接控制液压马达的输出扭矩。被试随动系统电机 的输入 功率 为 PT o o 2 n T ；液压 马达 的输 出 功率 为 P pq p为 液压 马达 的 出 口压 力 ，q为液压 马 达的额定流量 ，如忽略电机至液压马达 的机械损 失 ，则被试电机 的输入功率等于液压马达 的输 出功 率 ，即 2 竹 p q p V n 2 式 中q V n ，V 为液压 马达的排 量 c m ／ r 。 由式 3 计算 出液压 马达 的排量 c m 3 ／ r 3 D 式中T为负载力矩 N m ；P为液压系统额定压 力 M P a ，选 为 2 5 M P a 。 3 ． 2力告 巨 ／ 压力双反馈控制 为实现 4种力矩的加载仿真试验，整个系统的组 合控制方式共有 以下 3种基本模式 。 3 ． 2 ． 1 小功率马达工作下的仿真试验模式 小功率马达单一指令控制模式有 1 正 弦力矩 负载试验 ； 2 惯性力矩负载试验； 3 冲击力矩负载试验； 4 静 阻力矩 负载试验。 单一指令下的控制是最典型的单通道控制方式。 现有的控制单元可在时域环境中实现上述控制。 小功率马达复合指令控制模式有 1 静阻力矩 惯性力矩负载试验 ； 2 静阻力矩 惯性力矩 冲击力矩负载试验； 3 静阻力矩 惯性力矩 正弦力矩负载试验； 4 静阻力矩 惯性力矩 正弦力矩 冲击力 矩负载试验。 复合指令的组合模式相对 比较多，在静阻力矩 惯性力矩负载试验模式中，由于静阻力矩是直流分 量，所以这种组合的控制仍属于单一指令下 的控制， 可 以在时域环境 中实现控制 。 在其他力矩负载试验模式中，指令信号是一个复 合量，信号中的频率成分比较复杂。在控制响应过程 中，由于 电液伺服 系统 的幅频 和相频 特性 非线性的特 点，控制再现的模拟情况失真较大。在时域中进行控 制补偿，其工程实现有一定难度。 为解决这一技术难题需采用频域处理技术。首先 将复合指令波形进行 F F r变换，分析 出该指令时域 中所对应的各频谱成分及分量值 ；其次 ，将控制的扭 矩反馈信号也进行相 同的 F P r 变换，计算机将这 两 个信号的频谱成分及量值进行比对。由于控制系统的 幅频特性特点，扭矩反馈信号的高频成分将产生较大 的衰减，因此，必须对高频信号衰减进行有效的补 偿 。由于是在频域中进行处理，对各频率分量的补偿 可采用线性补偿原理，解决了时域无法完成的工程技 术难题。计算机将补偿后 的结果，利用 I F F T变换， 还原成时域信号，作为新的指令送给控制系统。系统 设计 中将采用该方法进行误差修正，可方便地实现静 阻力矩 正弦力矩 惯性力矩 冲击力矩的复合控 制 。 3 ． 2 ． 2 大功率马达工作下的仿真试验模式 大功率马达的控制模式与小马达相同，其反馈控 制信号可取 自压力传感器，马达的进出口压力与扭矩 成正比关系，利用压力反馈也能够实现各种负载的模 拟试验。 3 ． 2 ． 3 双马达工作下的仿真试验模式 双马达复合工作时，大功率马达采用压力反馈， 小功率马达采用扭矩反馈或利用 自身的压力传感器反 馈。大功率马达主要承担静阻力矩负载、惯性力矩负 载或低频的正弦力矩负载试验，而小功率马达承担冲 击负载、高频正弦力矩负载等试验。双马达复合工作 时，两个控制器单元独立工作 ，信号源的指令分别控 制相应的马达。双马达复合控制原理框 图如图 3所 示 。 当大功率马达的 “ 控制指令 1 ”发出一个静阻力 矩命令 ，该信号与 “ 比较器” 的 “ 压力传感器”反 馈信号进行比较输出一个误差信号，该误差信号经过 数字 P I D调节运算后，将控制执行信号输 出给 “ 阀 驱动器” ，“ 阀驱动器”控制伺服阀使大功率马达产 6 6 机床与液压 第 3 9卷 生 “ 控制指令 1 ” 比较器 丽 圆一 所要求 的扭 矩 。 数字P I D 调节器卜 _ _ 驱动器 卜 _ _ 伺服阀 被试 电机 小功率 马达 压力传感器 大功率 马达 鳓 毒 液 压 源 图3 双马达复合控制原理框图 小功率马达的 “ 控制指令 2 ”与大马达 “ 压力传 感器”的输出信号相加后，作为小功率 马达的控制 指令，与 “ 扭矩传感器”的反馈信号进行 比较后产 生误差信号，该误差信号经过数字 P I D调节运算后 ， 将控制执行信号输 出给 “ 阀驱动器” ， “ 阀驱动器” 控制伺服阀使小功率马达产生与 “ 控制指令 2 ”的冲 击 信号相对应的扭矩。 在 同一 控 制 系统 中，利 用 “ 压 力 ” 和 “ 扭 矩 ” 两种不同传感器分别产生各 自的反馈信号，解决了双 马达复合工作时，实现双反馈控制的技术难题。 3 ． 3无级 变速 比模 拟 系统设 计 无级变速比模拟高炮随动系统运动传动到机构终 端受信仪的传动比，对于不同的火炮随动系统，此比 值各不相同，考虑到仿真系统的通用性，必须采用无 级 变速方式 。 传动比无级变速机构原理框图如图4 所示。 干姻 温 i 控 匝 簖 I 箱 受 信 仪 l 。 编 码 器 A} 负 载 模 拟 系 统} 传 动 系 统 被 试 随 ； 动 系 统 图4 传动比模拟系统原理框图 受信仪与被试电机的传动比采用机电无级调速机 构进行模拟。系统受信仪与交流伺服电机和编码器 B 同轴刚性连接。系统工作时被试电机带动负载模拟系 统和编码器 A同轴刚性同步转动，编码器 A检测被 试电机的相应转角 0 ，并送人计算机内，计算机通过 内部运算 ，将该值除以传动比 即 0 i ／ K 。 ，通过比较 器送给交流伺服控制器以驱动交流伺服电机转动。该 旋转角被受信仪和编码器 B同步检测，编码器 B的 测量值反馈至比较器与给定值进行 比较 ，从而实现传 动比模拟系统的有差闭环控制，而被试电机与受信仪 的转速比值即为所要模拟的被试系统传动比。该系统 具有无机械空回、无级传动 比调整方便 、动态频 响 快、精度高等特点，系统编码器 A和编码器 B的分 辨率均为 1 ” ，以保证系统的测量和定位精度。 4结论 高炮随动负载仿真系统设计为基于双联液压马达 的 自动测量控制 系统 ，其 主要 目的是完成高炮 随动 系 统的设计定型试验。依据该仿真系统的特点和工作原 理，其还可用于舰载火炮随动系统仿真试验中。 高炮随动负载是 以各种力矩来表征 的 ，主要包括 静阻力矩、惯性力矩、正弦力矩和射击冲击力矩。文 中建立了路谱冲击的数学模型 正弦力矩 ，重点分 析研究了液压双联马达的选型、力矩／ 压力双反馈控 制 、无级变 速 比模 拟 系统 设计 等 技术 难 题及 解 决方 法。力矩／ 压力双反馈控制解决 了双马达复合控制难 题 ，从而在工程上实现了大功率、高频响负载仿真系 统设计 。无级变速 比模拟 系统技术解决 了以往 随动系 统负载模拟的必须专用的缺点，从根本上实现了仿真 系统 的通用性 。实践证 明 这些方法科学可行 ，具有 良好 的操作性 。 参 考 文献 【 1 】 邢昌风， 陈栋， 刘高峰． 舰炮火控系统反应时间与精度关 系的仿真[ J ] ． 火力与指挥控制 ， 2 0 0 3 ， 2 8 3 4 2 4 5 ． 【 2 】 葛杨 ， 肖海燕， 舒海生， 等． 新型舰炮供弹系统仿真设计 研究[ J ] ． 哈尔滨工程大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 3 3 2 4 3 2．． 【 3 】 程健庆， 顾浩， 李素民． 武器系统一体化综合仿真环境及 仿真系统[ J ] ． 系统仿真学报 ， 2 0 0 1 ， 1 3 3 3 3 7 3 4 1 ． 【 4 】 王庆林． 高炮火控系统模拟训练及综合评价系统 [ J ] ． 火力与指挥控制 ， 2 0 0 0 ， 2 5 3 5 45 6 ． 【 5 】赵玉龙 ， 张彦斌， 蒋有才 ， 等． 新型高炮随动系统训练模 拟器[ C ] ／ ／ 第五届全国仿真器学术会议， 2 0 0 4 8 5 8 9 ． 【 6 】 李刚， 徐立群， 陈克． 舰炮随动系统负载仿真研究与实现 [ J ] ． 火炮发射与控制学报 ， 2 0 0 4 3 5 7 6 0 ． 上接 第 6 0页 证了控制系统精确定时的需要，设计了 D O S下的人 机交互界面，自主开发了插补及控制系统，为数控系 统动态特性的研究提供了方法。并且用户可以根据需 要对该系统的内部结构 如插补器、控制器等进 行调整。经过实际验证 ，系统能够正常运行，满足实 验的需要。 参考文献 【 1 】 李斌 ， 李培根． 数控技术和装备发展趋势及对策[ J ] ． 机 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