彈道修正機(jī)構(gòu)中舵機(jī)的模擬控制方法

張福新， 王 海， 郝永平， 張 健

（沈陽(yáng)理工大學(xué)兵器科學(xué)技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽(yáng)110159）

0 引言

彈道修正機(jī)構(gòu)中，舵機(jī)的空間姿態(tài)直接影響到彈丸的飛行軌跡，從而影響彈丸對(duì)目標(biāo)的打擊精度。

采用鴨式舵機(jī)的彈道修正機(jī)構(gòu)，舵機(jī)控制的驗(yàn)證方法是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。如果利用靶場(chǎng)射擊試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，將耗費(fèi)大量財(cái)力和物力。本文試圖通過(guò)模擬舵機(jī)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 彈道修正機(jī)構(gòu)

在導(dǎo)彈的頭部安裝修正機(jī)構(gòu)，可使導(dǎo)彈具有彈道修正能力。修正機(jī)構(gòu)與彈體之間通常由螺紋連接。

修正機(jī)構(gòu)由三部分組成：修正部分、控制部分和姿態(tài)測(cè)量部分。修正部分與彈體之間由深溝球軸承相連，兩者可自由轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂撇糠盅b有防過(guò)載緩沖裝置，保護(hù)其中的電子器件和軸承裝置不被沖擊載荷損壞。姿態(tài)測(cè)量部分通過(guò)夾具與修正部分的內(nèi)腔固連，用來(lái)測(cè)量彈丸的實(shí)時(shí)空間位置和速度。

圖1為彈道修正機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)布局，四個(gè)舵片對(duì)稱布置，兩對(duì)舵片的偏角朝向相反。一對(duì)舵片用來(lái)改變彈丸的飛行方向，另一對(duì)舵片用來(lái)減旋［1］。

圖1 彈道修正機(jī)構(gòu)氣動(dòng)布局示意圖

2 模擬實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)

模擬實(shí)驗(yàn)裝置由五部分組成：風(fēng)阻電機(jī)、模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器、光電編碼器和控制電機(jī)。風(fēng)阻電機(jī)為模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)提供旋轉(zhuǎn)力矩；模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)是一個(gè)注入甘油的盒子，風(fēng)阻電機(jī)帶動(dòng)攪拌器攪拌油液，運(yùn)動(dòng)油液與模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生摩擦力矩，模擬彈道修正機(jī)構(gòu)中舵機(jī)受到的風(fēng)阻力矩；聯(lián)軸器將模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)和控制電機(jī)的軸連接在一起；光電編碼器測(cè)量模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速與停止角度；控制電機(jī)的力矩與模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的力矩在聯(lián)軸器處匯集，通過(guò)調(diào)整控制電機(jī)的力矩實(shí)現(xiàn)模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如正反轉(zhuǎn)、穩(wěn)速、定角停止等。

模擬實(shí)驗(yàn)裝置中模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)內(nèi)腔的直徑為66mm，高度為44mm，壁厚為3mm，與聯(lián)軸器相連部分的軸徑為10mm。

模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)內(nèi)裝有傳遞力矩的油液。實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行時(shí)，油液處于高速高壓旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為防止漏油，采用了O 型橡膠圈與唇型密封圈，提高模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的密封性［2］。

3 模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的控制方法

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單有效的控制，必須研究模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)控制方法。

在對(duì)模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)停止運(yùn)作前，應(yīng)對(duì)其零位進(jìn)行標(biāo)定，并調(diào)節(jié)控制電機(jī)力矩使它在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。

在零位處，使控制電機(jī)開(kāi)始工作，設(shè)預(yù)期停止角度 和 零 位 之 差 是 固 定 值：0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°，360°。

若使模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)停止在某一預(yù)期位置角Φ處，根據(jù)物體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的能量方程MΦ ＝J（ω22-ω21）／2，可得如式（1）所示的模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)停止在預(yù)期位置處所需的合力矩。

式中：M 為模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)停止在目標(biāo)位置所需的合力矩；J 為裝置中轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω1為模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)角速度；ω2為模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)末狀態(tài)角速度；Φ 為目標(biāo)停止角度。

通過(guò)對(duì)模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的力矩分析，可得到控制模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)電機(jī)需要的電磁力矩，如式（2）所示。

式中：Me1為控制電機(jī)的電磁力矩；Me2為模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的力矩；Mf為裝置中軸承組的摩擦力矩。

把式（2）代入式（1），可得到如式（3）所示電磁力矩計(jì)算式。

式中：模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的角速度ω 由光電編碼器測(cè)得；模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的力矩Me2根據(jù)對(duì)模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的仿真計(jì)算得到；裝置中轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 由Pro／E三維建模軟件計(jì)算得出；裝置中軸承組的摩擦力矩Mf通過(guò)測(cè)量的數(shù)據(jù)間接計(jì)算得出。給定Me2、Φ、ω1、ω2、Mf、J 后，通過(guò)式（3）就可求出控制電機(jī)需要的電磁力矩，使模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)停在預(yù)定的角度［3］。

在控制系統(tǒng)發(fā)出對(duì)模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的修正指令后，首先通過(guò)光電編碼器采集模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的零位，然后以式（3）計(jì)算出的電磁力矩Me1迅速控制電機(jī)，使模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作［4-5］。

4 模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的控制流程

模擬控制系統(tǒng)對(duì)模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和停止角度進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)由STC89C52 單片機(jī)、電阻控制電路以及運(yùn)行控制程序的電腦等組成。實(shí)驗(yàn)中，模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速由光電編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量，轉(zhuǎn)速信息經(jīng)單片機(jī)處理后，進(jìn)行數(shù)碼顯示，并反饋到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)不斷調(diào)整控制電機(jī)的外接電阻，以平衡模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)受到的摩擦力矩，使模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)保持在某一穩(wěn)定速度或停止的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。停止角度也由光電編碼器測(cè)得。

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，可完成控制流程的設(shè)計(jì)，控制流程如圖2所示。圖中，Φ1和Φ 分別表示模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的實(shí)際預(yù)期停止角度和理論預(yù)期停止角度，n1和n分別表示模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和理論轉(zhuǎn)速。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)預(yù)期停止角度誤差應(yīng)控制在±2°范圍內(nèi)，模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速誤差應(yīng)控制在±1r／min范圍內(nèi)。

實(shí)測(cè)得到的模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的實(shí)際預(yù)期停止角度和理論預(yù)期停止角度，以及模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和理論轉(zhuǎn)速如表1所示。

圖2 模擬控制系統(tǒng)的控制流程

表1 預(yù)期停止角度、轉(zhuǎn)速的理論值與實(shí)際值

由表1可以看出，模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的目標(biāo)停止角度誤差均在±2°范圍內(nèi)。模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的實(shí)際轉(zhuǎn)速略小于理論轉(zhuǎn)速，主要原因是裝置中軸承組的摩擦力導(dǎo)致的。

5 控制模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路

在控制電路中，選用STC89C52單片機(jī)。由于定值水泥電阻散熱快，可用作可控電阻模塊，其可控制范圍在（4～15）Ω，電阻最小值之所以設(shè)置為4Ω，可避免控制電流過(guò)大，燒毀控制器件。由于可控電阻模塊的電阻變化具有非連續(xù)性，根據(jù)系統(tǒng)控制流程的要求，在模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)速和停止動(dòng)作控制前，系統(tǒng)先加載一個(gè)與最終穩(wěn)速和停止動(dòng)作需要的阻值差不多的電阻，再根據(jù)偏差進(jìn)行對(duì)電阻值的微調(diào)，在微調(diào)時(shí)采用四個(gè)1Ω電阻并聯(lián)，因此最小微調(diào)電阻值為0.25Ω。

控制過(guò)程：在單片機(jī)發(fā)出指令后，經(jīng)光耦、放大器和圖騰柱電路，使5 V 的信號(hào)電壓放大到15V的控制信號(hào)電壓，從而使場(chǎng)效應(yīng)管可以迅速啟動(dòng)。

控制模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)圖，如圖3所示［6］。圖中的釋放電路的作用：在場(chǎng)效應(yīng)管切斷后，使電路與大地相連形成釋放回路，起保護(hù)作用。

圖3 控制模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路

6 總結(jié)

本文介紹了模擬彈道修正機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置。裝置中，風(fēng)阻電機(jī)帶動(dòng)攪拌器攪拌油液，運(yùn)動(dòng)油液與模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生的摩擦力矩，用來(lái)模擬彈道修正機(jī)構(gòu)中舵機(jī)受到的風(fēng)阻力矩?？刂齐姍C(jī)發(fā)出的力矩與模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的力矩在聯(lián)軸器處匯集，通過(guò)調(diào)整控制電機(jī)的力矩，可改變模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得模擬風(fēng)阻機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速誤差和預(yù)期停止角度誤差均在允許范圍內(nèi)，表明該模擬控制方法的控制原理可行。

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