某型導(dǎo)彈輸出指令組件傳遞函數(shù)故障分析與排除

程蒙蒙 高懷平 涂遠(yuǎn)欣 馬培娜

摘要：通過對某型導(dǎo)彈導(dǎo)引頭輸出指令組件的工作原理分析和研究，掌握了輸出指令組件傳遞函數(shù)Ω參數(shù)故障發(fā)生原因及其機(jī)理，建立了故障樹；為了解決輸出指令組件輸出數(shù)據(jù)無法直接讀取的困難，利用Arduino控制芯片、穩(wěn)壓集成電路等器件搭建了輸出指令組件自動測試平臺，完成了輸出指令組件相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與分析，最終實現(xiàn)了對輸出指令組件傳遞函數(shù)不合格修理。

關(guān)鍵詞：傳遞函數(shù)；測試平臺；故障分析

Keywords：transfer function；testing platform；fault analysis

0 引言

某型導(dǎo)彈為進(jìn)口型空空導(dǎo)彈，用于殲擊機(jī)在空戰(zhàn)近距離格斗時攻擊敵機(jī)，并具有對地面熱目標(biāo)的攻擊能力，能夠全向攻擊目標(biāo)和近距離發(fā)射，在晝夜、云霧中和有干擾條件下均可戰(zhàn)斗使用[1]。該型導(dǎo)彈導(dǎo)引頭輸出指令組件主要負(fù)責(zé)處理、生成控制舵面偏轉(zhuǎn)的視線角速度信號，根據(jù)指令調(diào)整信號的放大倍率，還能實現(xiàn)偏角補(bǔ)償、超前偏置以及基準(zhǔn)信號整形功能，對導(dǎo)彈跟蹤目標(biāo)起著重要作用。該型導(dǎo)彈導(dǎo)引頭日常修理過程中，當(dāng)出現(xiàn)輸出指令組件傳遞函數(shù)Ω不合格時，由于缺少輸出指令組件測試設(shè)備，無法對故障組件進(jìn)行直接測試、修復(fù)，通常采取換備件的方式修理，修理成本較高。為了解決這一問題，需要對輸出指令組件進(jìn)行研究并搭建測試平臺，以最終形成對輸出指令組件傳遞函數(shù)故障的修復(fù)能力。

1 原理分析

輸出指令組件傳遞函數(shù)Ω（視線角速度信號）是導(dǎo)引頭輸出指令組件核心參數(shù)[2]。輸出指令組件負(fù)責(zé)處理、生成控制舵面偏轉(zhuǎn)的視線角速度信號Ω1、Ω2，根據(jù)指令調(diào)整Ω信號的放大倍率并綜合偏角補(bǔ)償和超前偏置，負(fù)責(zé)極坐標(biāo)角速度Ωпол信號的輸出以及基準(zhǔn)信號整形等功能。輸出指令組件的工作原理圖如圖1所示。輸入陀螺線包感應(yīng)的偏轉(zhuǎn)信號、框架角信號，經(jīng)過補(bǔ)償電路形成極坐標(biāo)形式的視線角速度信號；視線角速度信號與基準(zhǔn)信號配合解調(diào)出極坐標(biāo)形式的視線角速度信號Ω1和Ω2；載機(jī)根據(jù)初始條件形成的指令經(jīng)指令和系數(shù)形成裝置，變成K1、K3、K4指令送導(dǎo)引頭。K1、K3、K4指令影響Ω1和Ω2信號的放大比例系數(shù)；近區(qū)電路的相關(guān)指令控制K指令封鎖電路和超前偏置電路。其工作原理可分為三個模塊。

1）Ω信號測試原理

極坐標(biāo)形式的角速度信號Ωf2輸入組件，經(jīng)過Φ角補(bǔ)償電路與框架角Φрам補(bǔ)償融合；經(jīng)過K指令比例放大電路進(jìn)行放大；放大后的極坐標(biāo)信號與基準(zhǔn)信號共同作用，解調(diào)成直角坐標(biāo)形式的視線角速度信號Ω1、Ω2。當(dāng)超前偏置電路起作用時，框架角ΦГ會通過解調(diào)電路中的加法器影響Ω1、Ω2信號幅值。

2）極坐標(biāo)角速度信號測試原理

極坐標(biāo)形式的角速度信號Ωf2信號經(jīng)過運(yùn)算放大器N6進(jìn)行半波整流后，經(jīng)過濾波和跟隨器形成Ωпол1輸出。Ωпол1經(jīng)過受邏輯開關(guān)控制的運(yùn)放N5后形成Ωпол2信號。

3）基準(zhǔn)信號測試原理

方波形式的基準(zhǔn)信號進(jìn)入輸出指令組件，經(jīng)過整形電路形成正弦波形式從20和21腳輸出。這兩個通道的正弦波再經(jīng)過比較器形成一定占空比的方波，從17和19腳輸出。

2 信號分析

載機(jī)根據(jù)初始條件形成的指令經(jīng)指令和系數(shù)形成裝置，變成K1、K3、K4指令送導(dǎo)引頭。K指令控制視線角速度信號Ω的最大值，分別有K1、K2、K3、K4四種狀態(tài)（其中K2為初始狀態(tài)）。Ω有兩個通道Ω1、Ω2。采集的參數(shù)為K2指令下，直角坐標(biāo)形式的視線角速度信號Ω1、Ω2；K1指令下，直角坐標(biāo)形式的視線角速度信號Ω1、Ω2；K3指令下，直角坐標(biāo)形式的視線角速度信號Ω1、Ω2；K4指令下，直角坐標(biāo)形式的視線角速度信號Ω1、Ω2。8個參數(shù)形成信號的電路部分全在導(dǎo)引頭輸出指令組件中。

依據(jù)輸出指令組件電路及原理分析，輸出指令組件所需電源為±12V電源，所需信號為Ωf2信號、基準(zhǔn)信號（Фон1和Фон2）、導(dǎo)彈偏轉(zhuǎn)信號CM、邏輯電平α*、控制指令Tупр、位標(biāo)器偏轉(zhuǎn)信號ΦГ和框架角Φрам。其中，依據(jù)某型導(dǎo)彈導(dǎo)引頭測試參數(shù)，選擇Ωf2信號為峰峰值5V、基波頻率100Hz、調(diào)制頻率1Hz的AM調(diào)制信號；ΦOH1、ΦOH2信號為峰峰值20V、頻率100Hz的方波信號；控制指令Tупр為27V電壓；導(dǎo)彈偏轉(zhuǎn)信號CM和邏輯電平α*為12V電壓；位標(biāo)器偏轉(zhuǎn)信號ΦГ為5V電壓；框架角Φрам為12V電壓。

3 測試平臺研制與數(shù)據(jù)采集

輸出指令組件是某型導(dǎo)彈導(dǎo)引頭電子組件組成之一，與之相關(guān)的測試參數(shù)通過導(dǎo)引頭測試臺采集。由于無法對輸出指令組件進(jìn)行直接測試，制約了輸出指令組件的修理，現(xiàn)根據(jù)輸出指令的原理分析以及信號機(jī)理分析，研制輸出指令自動測試平臺，以解決輸出指令組件的測試難題。

3.1 測試平臺研制

輸出指令組件測試平臺如圖2所示，主要由arduino控制芯片、顯示屏、穩(wěn)壓集成電路、繼電器等組成。輸出指令組件通過巨型連接器與測試平臺連接。該平臺采用arduino控制芯片對測試程序和功能進(jìn)行升級，實現(xiàn)了繼電器控制、數(shù)字量輸出和模擬量采集，滿足輸出指令組件所有信號的輸入、輸出、通斷與延時。配合顯示屏實現(xiàn)了示波器和數(shù)據(jù)顯示功能。必要時可外接信號發(fā)生器、示波器以對細(xì)節(jié)進(jìn)行測試。輸出指令組件的整個測試程序可以通過該測試平臺自動實現(xiàn)，通過開關(guān)來控制測試程序的中斷。輸出指令組件測試平臺工作原理如圖3所示。

3.2 信號采集

無外部補(bǔ)償和超前偏置時，測試K指令比例放大系數(shù)對Ω1、Ω2信號的影響。

給組件供±12V電源及接地。按第2節(jié)給出的條件加入Ωf2信號和基準(zhǔn)信號。Φрам1、Φрам2、Φ1Г、Φ2Г四路信號接地，CM、α*腳接12V電壓。初始狀態(tài)時為K2狀態(tài)，測試平臺采集Ω1、Ω2幅值波形圖，如圖4所示。

將3腳接27V電壓，此時為K1狀態(tài)，測試平臺采集Ω1、Ω2幅值波形圖，如圖5所示。

將4腳接27V電壓，此時為K3狀態(tài)，測試平臺采集Ω1、Ω2幅值波形圖，如圖6所示。

將7腳接27V電壓，此時為K4狀態(tài)，測試平臺采集Ω1、Ω2幅值波形圖，如圖7所示。

通過上述信號采集可以看出四種狀態(tài)下兩個通道的波形與幅值。通過對故障組件的信號采集，故障情況可以分為以下幾種類型：四種狀態(tài)下兩個通道故障，即K1、K2、K3、K4 狀態(tài)下Ω1、Ω2通道信號波形或幅值故障；四種狀態(tài)下某一通道故障，即K1、K2、K3、K4 狀態(tài)下Ω1通道信號波形或幅值故障，K1、K2、K3、K4 狀態(tài)下Ω2通道信號波形或幅值故障；某一狀態(tài)下兩個通道故障，即K1（K2、K3、K4）狀態(tài)下Ω1、Ω2通道信號波形或幅值故障。

4 故障情況

4.1 故障樹

通過對影響導(dǎo)彈輸出指令組件傳遞函數(shù)Ω信號不合格的相關(guān)因素進(jìn)行分析，建立導(dǎo)彈傳遞函數(shù)Ω測試不合格故障樹，如圖8所示。

根據(jù)故障樹分析可知，導(dǎo)彈傳遞函數(shù)Ω信號三種故障模式所對應(yīng)的不合格因素有輸出指令組件電路故障和輸出指令組件輸入信號故障兩大因素，其中，電路故障可能為補(bǔ)償電路故障、限幅放大電路故障、解調(diào)電路故障、濾波電路故障。

4.2 故障分析

對于四種狀態(tài)下兩個通道故障，主要故障因素為補(bǔ)償電路故障、限幅放大電路故障、輸入信號故障。補(bǔ)償電路主要是Φ角補(bǔ)償電路與框架角Φрам補(bǔ)償，在各種角度下保持視線角速度的真實和穩(wěn)定，電路中三角波發(fā)生器、模擬開關(guān)、電阻故障率較高；另外補(bǔ)償電路中涉及三路信號（角速度信號Ωf2、陀螺轉(zhuǎn)子與定子間夾角Фвн、平臺框架的偏轉(zhuǎn)角信號Фрам1、Фрам2）輸入，所以四種狀態(tài)下兩個通道故障與角速度信號Ωf2、陀螺轉(zhuǎn)子與定子間夾角Фвн、平臺框架的偏轉(zhuǎn)角信號Фрам1、Фрам2有關(guān)。又由于極坐標(biāo)形式的角速度信號Ωf2由陀螺旋轉(zhuǎn)組件提供給輸出指令組件，陀螺轉(zhuǎn)子與定子間夾角Фвн由陀螺位置與定子軸之間的誤差角產(chǎn)生，平臺框架的偏轉(zhuǎn)角信號Φрам1、Φрам2由位標(biāo)器框架偏轉(zhuǎn)生成，所以四種狀態(tài)下兩個通道故障也與位標(biāo)器框架、位標(biāo)器陀螺、位標(biāo)器線包和陀螺旋轉(zhuǎn)組件有關(guān)。限幅放大電路是按照不同的比例系數(shù)K（K1、K2、K3、K4）進(jìn)行放大，先放大后縮小，比例值不同。該電路中運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)故障率較高。

四種狀態(tài)下某一通道故障的相關(guān)因素為解調(diào)電路故障和濾波電路故障，解調(diào)電路是將極坐標(biāo)形式視線角速度信號解調(diào)成直角坐標(biāo)形式的視線角速度信號，該電路中運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)故障率較高。另外，解調(diào)電路有基準(zhǔn)信號輸入，所以基準(zhǔn)信號對四種狀態(tài)下某一通道故障存在影響。基準(zhǔn)信號由陀螺旋轉(zhuǎn)組件產(chǎn)生，如果陀螺旋轉(zhuǎn)組件故障，會影響基準(zhǔn)信號的生成，對導(dǎo)彈傳遞函數(shù)視線角速度Ω也存在影響。濾波電路主要是濾除高頻分量，該電路中電容、運(yùn)算放大器、電容故障率較高。

某一狀態(tài)下兩個通道故障相關(guān)因素為限幅放大電路故障，針對具體某一狀態(tài)，排查與之對應(yīng)的模擬開關(guān)、運(yùn)算放大器。

5 故障排除

該型導(dǎo)彈某一故障表現(xiàn)為K2指令下Ω2通道信號波形不合格，K1指令下Ω2通道信號波形不合格，K3指令下Ω2通道信號波形不合格，K4指令下Ω2通道信號波形不合格。從上述參數(shù)定義可以看出，各指令下Ω2信號輸出波形不合格，即四種狀態(tài)下某一通道故障。該故障的相關(guān)因素為解調(diào)電路故障和濾波電路故障，或者基準(zhǔn)信號故障。

對基準(zhǔn)信號（Фон1、Фон2）進(jìn)行排查，測得Фон1、Фон2信號是峰峰值為20V、頻率為100Hz的方波信號，基準(zhǔn)信號（Фон1、Фон2）合格。對解調(diào)電路進(jìn)行排查，在Ω2信號輸出波形測試條件下，使用示波器測量解調(diào)電路中運(yùn)放1N16的輸入端（見圖9），4腳輸入端輸入波形合格，6腳輸入波形不合格；測量圖號為1S2A的模擬開關(guān)的1腳輸出端， 1腳波形不合格。由此可以判斷，1S2A模擬開關(guān)故障，使得Ω2信號輸出波形測試不合格。更換模擬開關(guān)1S2A后，輸出指令組件測試合格，導(dǎo)引頭測試合格。

6 結(jié)束語

以某型導(dǎo)彈導(dǎo)引頭輸出指令組件傳遞函數(shù)Ω參數(shù)故障為研究對象，設(shè)計了輸出指令組件自動測試平臺，通過對相關(guān)信號采集及理論分析，對導(dǎo)引頭輸出指令組件傳遞函數(shù)Ω參數(shù)影響因素進(jìn)行逐一研究，并建立了故障樹，最終實現(xiàn)故障定位。通過文中的研究方法，解決了該型產(chǎn)品的修理瓶頸，提高了該型導(dǎo)彈導(dǎo)引頭輸出指令組件的排故效率，節(jié)約了修理成本。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭志偉.空空導(dǎo)彈系統(tǒng)概論[M].北京：兵器工業(yè)出版社出版，1997.

[2]吳晗平.紅外搜索系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

作者簡介

程蒙蒙，工程師，主要從事導(dǎo)彈修理及導(dǎo)彈測試機(jī)理研究。