基于Qt的單通道滾轉(zhuǎn)控制中周期平均控制力示教系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐

王成 孟晨 李青 孔子華 沈俊田

摘? 要? 針對便攜式防空導(dǎo)彈單通道滾轉(zhuǎn)控制中的周期平均控制力這一教學(xué)內(nèi)容，在分析機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立周期平均控制力的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)基于Qt的周期平均控制力示教系統(tǒng)，通過改變相關(guān)參數(shù)，能直觀演示周期平均控制力的工作原理，軟件界面簡潔友好，同時為提升裝備構(gòu)造原理類課程授課質(zhì)量提供有力的支撐。

關(guān)鍵詞? 周期平均控制力；示教系統(tǒng)；單通道控制；Qt

中圖分類號：E251.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）11-0056-03

0? 引言

便攜式防空導(dǎo)彈由于采用單兵肩扛發(fā)射方式的緣故，導(dǎo)彈都為筒裝導(dǎo)彈形式，導(dǎo)彈通常采用紅外被動尋的制導(dǎo)、單通道滾轉(zhuǎn)控制、鴨式氣動布局和破片殺傷戰(zhàn)斗部。其中單通道滾轉(zhuǎn)控制是指：通過對指令信號的分析處理，控制舵機(jī)帶動舵面偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生周期平均控制力，實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)中導(dǎo)彈的單通道控制，控制導(dǎo)彈向目標(biāo)方向飛行。針對防空裝備技術(shù)保障（防空導(dǎo)彈）專業(yè)學(xué)員在第三學(xué)年開展的便攜式防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)裝備專業(yè)背景課程，“單通道滾轉(zhuǎn)控制中周期平均控制力是如何形成的，具體工作原理是怎樣的？”是教學(xué)進(jìn)程中的重點(diǎn)內(nèi)容，同時也是教學(xué)難點(diǎn)。

1? 教學(xué)中存在的問題

周期平均控制力屬于單通道滾轉(zhuǎn)控制教學(xué)模塊中的重點(diǎn)內(nèi)容，導(dǎo)彈系統(tǒng)原理、便攜式防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)裝備等多門課程均涉及此部分內(nèi)容，并且在后續(xù)裝備測試中指令系數(shù)測試原理介紹時還涉及這部分內(nèi)容，要想使學(xué)員真正掌握其基本原理、為后續(xù)實(shí)際裝備學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，必須做好該模塊的教學(xué)，但以往的教學(xué)實(shí)施中還存在一些不足。

1.1? 教學(xué)手段方法不足

以往的教學(xué)主要以教員結(jié)合多媒體課件講授為主，對于周期平均控制力形成中涉及的復(fù)雜公式和波形，教員主要依靠板書、動畫等，但以上方法均不夠嚴(yán)謹(jǐn)，例如，對于舵機(jī)偏轉(zhuǎn)方向的換向次數(shù)，以往講授時只是會提及“控制信號幅值的變化會帶來換向時機(jī)和次數(shù)的變化”，但是具體是如何變化的，缺乏數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，學(xué)員往往“知其然不知其所以然”。

1.2? 學(xué)員參與度不高

教學(xué)過程中，受課時限制，教員往往需要在兩個課時內(nèi)講清楚自動駕駛儀和舵機(jī)的結(jié)構(gòu)原理和工作原理，缺乏有效的交互手段，最后往往只能將“構(gòu)造原理+數(shù)學(xué)方程+工作過程”等“填鴨式”地灌輸給學(xué)員，由此帶來的弊端有兩方面：一是由于這部分理論知識講授太多，比較枯燥，學(xué)員理解起來比較困難；二是課前預(yù)習(xí)、課后習(xí)題往往都局限在理論知識學(xué)習(xí)上，導(dǎo)致學(xué)員產(chǎn)生“課上理論學(xué)習(xí)、課下還是理論學(xué)習(xí)”的厭煩情緒。

1.3? 不能激發(fā)辦學(xué)育人活力動力

新時代軍事教育方針的內(nèi)涵發(fā)展動力是創(chuàng)新驅(qū)動，重點(diǎn)是厚植基礎(chǔ)、修煉內(nèi)功、釋放潛能、特色發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)手段、教學(xué)方法不利于學(xué)員將裝備原理、檢測和數(shù)學(xué)模型等知識融會貫通，不利于培養(yǎng)學(xué)員動手和創(chuàng)新能力，激發(fā)辦學(xué)育人活力動力。因此，考慮在講授周期平均控制力的理論基礎(chǔ)上，由教員利用Qt軟件，按照周期平均控制力的數(shù)學(xué)方程開發(fā)周期平均控制力示教系統(tǒng)，并設(shè)置仿真作業(yè)，使得學(xué)員真正理解周期平均控制力產(chǎn)生和工作的原理，并通過應(yīng)用項(xiàng)目教學(xué)模式，將“周期平均控制力示教系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)開發(fā)”貫穿整個教學(xué)活動，在課程實(shí)踐教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)員的動手和創(chuàng)新能力。

2? 周期平均控制力示教系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1? 周期平均控制力的數(shù)學(xué)模型

便攜式防空導(dǎo)彈通常采用鴨式氣動外形，見圖1，一對固定翼及一對舵面在前，套裝尾翼在后。導(dǎo)彈飛行時繞其縱軸以固定的速率旋轉(zhuǎn)。

舵面轉(zhuǎn)軸與彈體剛性交鏈，并與彈體一起旋轉(zhuǎn)。控制力是由舵機(jī)帶動舵面偏轉(zhuǎn)在彈旋過程中產(chǎn)生，其方向與舵面垂直。舵機(jī)在自動駕駛儀電路輸出的舵控信號的作用下，呈繼電式工作狀態(tài)。即當(dāng)矩形脈沖形式的舵控信號處于正向時，控制舵機(jī)使舵面正向偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向上的控制力；當(dāng)舵控信號處于負(fù)向時，控制舵機(jī)使舵面負(fù)向偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向下的控制力[1-2]。

當(dāng)導(dǎo)彈在空間旋轉(zhuǎn)位于某一φ角時，瞬時控制力F的正方向與坐標(biāo)軸OY的夾角亦為φ，此時F可分解成兩個正交分量，即在OZ軸上的投影形成航向（橫向）控制力FZ＝Fsin φ、在OY軸上的投影形成俯仰（縱向）控制力FY＝Fcos φ，見圖2。

由于矩形脈沖舵控信號寬度受導(dǎo)引信號控制，為調(diào)寬方波，因而控制力F及分量FY、FZ均呈周期性變化。導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)一周期間，控制力對彈體形成綜合作用效果，可稱之為周期平均控制力Fcp，F(xiàn)cp決定導(dǎo)彈的機(jī)動飛行方向。

自動駕駛儀作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈單通道控制的執(zhí)行系統(tǒng)，其工作模型見圖3。

其中：Udy（t）為導(dǎo)引頭輸出的指令信號；UXH是線性化振蕩信號，用于對控制信號進(jìn)行調(diào)制。Udy（t）可表示為：Udy（t）= Uc cos（ωct-φc）

Uc：導(dǎo)引信號的幅值，與視線角速度成正比。

φc：目標(biāo)與彈的方位角。

ωc：彈旋頻率。

UXH可表示為：

UXH（t）= Ul cos（ωlt-φl）

Ul：線性化信號的幅值。

φl：線性化信號的相位。

ωl：線性化信號頻率。

導(dǎo)引信號與線性化信號疊加成合成信號送入繼電放大環(huán)節(jié)，合成信號的表達(dá)式為：

e（t）=Uccos（ωct-φc）+Ul cos（ωlt-φl）

合成信號經(jīng)繼電放大后成調(diào)寬方波作為舵機(jī)的輸入信號，其表達(dá)式為：

其中tj是合成信號的極性改變點(diǎn)。

舵機(jī)產(chǎn)生的周期平均控制力在坐標(biāo)軸OY和OZ上的分量分別可以表示為：

對其進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到：

通過上面公式可以看出周期平均控制力主要取決于舵機(jī)改變方向的時刻，下面仿真時直接假設(shè)F0為1。

2.2? 周期平均控制力示教系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Qt是目前使用最廣泛的跨平臺應(yīng)用程序框架，Qt支持LGPL 2.1協(xié)議和一個商業(yè)協(xié)議，因此可以將Qt的二進(jìn)制動態(tài)鏈接庫文件整合到私有軟件中而無需額外授權(quán)。考慮到學(xué)員學(xué)習(xí)方便，采用Qt開發(fā)示教系統(tǒng)，方便將示教系統(tǒng)軟件部署到電腦、平板和手機(jī)上，因此采用Qt開發(fā)周期平均控制力示教系統(tǒng)。

2.2.1? 周期平均控制力示教系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

周期平均控制力示教系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的核心是繪制各個信號的波形，QCustomPlot是一個超強(qiáng)超小巧的Qt繪圖類控件，非常漂亮，非常易用，只需要加入一個qcustomplot.h和qcustomplot.cpp文件即可使用，遠(yuǎn)比qwt方便和漂亮，可以自己使用兩個源文件也可以自己編譯成庫文件，非常方便，因此，利用QCustomPlot來繪制信號波形。

考慮影響周期平均控制力的因素，導(dǎo)引信號（也稱為控制信號）和線性化信號的幅值、頻率和相位都利用QLineEdit控件進(jìn)行設(shè)置。設(shè)計(jì)好的示教系統(tǒng)界面如圖4所示。

2.2.2? 周期平均控制力示教系統(tǒng)具體步驟

利用示教系統(tǒng)完成周期平均控制力仿真具體步驟如下。

第一步：設(shè)置控制信號和線性化信號的幅值、頻率和相位和采樣參數(shù)。

第二步：完成當(dāng)前參數(shù)下的控制信號、線性化信號、控制信號+線性化信號和舵控信號的仿真，并繪制曲線，根據(jù)仿真計(jì)算得到周期平均控制力。

圖5為周期平均控制力示教系統(tǒng)仿真結(jié)果。

3? 教學(xué)應(yīng)用與實(shí)踐

3.1? 試探教學(xué)法的應(yīng)用

試探教學(xué)法的基本觀點(diǎn)是“學(xué)生能嘗試，嘗試能成功，成功能創(chuàng)新”，特征是“先試后導(dǎo)、先練后講”。試探教學(xué)法的實(shí)施通常分七步進(jìn)行：準(zhǔn)備練習(xí)→出示嘗試題→自學(xué)課本→嘗試練習(xí)→學(xué)生討論→教師講解→第二次嘗試練習(xí)，這種教學(xué)方法最早應(yīng)用在小學(xué)數(shù)學(xué)教育中取得了很好的效果，爾后發(fā)展到語文、常識等學(xué)科，又從小學(xué)發(fā)展到中學(xué)、大學(xué)；從普教發(fā)展到幼教、特教、職教。大量的教學(xué)實(shí)踐充分證明：學(xué)生能在嘗試中學(xué)習(xí)，具有普遍意義。

借助示教系統(tǒng)，2022年，課程組利用示教系統(tǒng)在便攜式防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)裝備教學(xué)過程中開展了試探教學(xué)法改革，使得學(xué)員通過獨(dú)立思考的學(xué)習(xí)活動，完成對知識的主動探索、主動發(fā)現(xiàn)和對知識的主動構(gòu)建[4]，這也符合“試探教學(xué)法”的核心觀點(diǎn)。具體步驟如下。

第一步：課前布置預(yù)習(xí)作業(yè)，學(xué)員通過自學(xué)理論知識，試著推導(dǎo)周期平均控制力的最大值。

第二步：課上教員講授理論，利用示教系統(tǒng)演示各種信號的波形和周期平均控制力的計(jì)算步驟。

第三步：課后學(xué)員利用示教系統(tǒng)，設(shè)置不同的參數(shù)，記錄不同參數(shù)對應(yīng)的換向時刻、周期平均控制力，發(fā)現(xiàn)周期平均控制力與控制信號、線性化信號的幅值比之間的關(guān)系。

學(xué)員普遍反映單純預(yù)習(xí)很難理解周期平均控制力的計(jì)算方法，結(jié)合示教系統(tǒng)對于理解單通道控制和周期平均控制力非常有幫助，并且很容易得到結(jié)論：一個周期內(nèi)舵機(jī)兩次換向時，周期平均控制力最大。

3.2? 項(xiàng)目化教學(xué)的應(yīng)用

項(xiàng)目教學(xué)模式是師生通過共同實(shí)施一個完整的項(xiàng)目工作而進(jìn)行的教學(xué)活動[5]。結(jié)合大學(xué)“卓越杯”學(xué)員科技創(chuàng)新活動，教員指導(dǎo)學(xué)員開展“控制信號與周期平均控制力關(guān)系”仿真計(jì)算軟件項(xiàng)目開發(fā)。通過提供教員前期開發(fā)的示教系統(tǒng)源代碼，要求學(xué)員仿真計(jì)算控制信號、線性化信號的幅值比與周期平均控制力之間的關(guān)系，能夠根據(jù)參數(shù)設(shè)置繪制波形，能夠?qū)Χ鏅C(jī)換向角度進(jìn)行計(jì)算，并注意引導(dǎo)學(xué)員運(yùn)用軟件工程思想展開項(xiàng)目開發(fā)，使學(xué)員能夠親身體驗(yàn)“編寫需求文檔、面向?qū)ο蠓治?、編寫程序、軟件調(diào)試”四個完整的軟件開發(fā)過程。最后由學(xué)員開發(fā)的仿真軟件完成了所有預(yù)期功能，運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

4? 結(jié)束語

示教系統(tǒng)輔助裝備教學(xué)的實(shí)踐表明，采用該系統(tǒng)教學(xué)后，學(xué)員在單通道控制中的周期平均控制力原理這一重難點(diǎn)內(nèi)容的知識吸收上有了極大的提升，同時也培養(yǎng)了學(xué)員動手和創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)了學(xué)員課程學(xué)習(xí)與科技創(chuàng)新活動的無縫對接。

5? 參考文獻(xiàn)

[1] 楊鎖昌，孟晨，郭群山，等.基于工控機(jī)的導(dǎo)彈指令系數(shù)測量方法[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，13（2）：15-19.

[2] 李巖，王中原，易文俊，等.單通道鴨舵控制對彈藥攻角影響的仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（14）：4260-4263.

[3] 邱學(xué)華.嘗試教學(xué)研究50年[J].課程·教材·教法，2013，33（4）：3-13，32.

[4] 陳鵬.虛擬仿真技術(shù)在服裝工藝教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].長沙：湖南師范大學(xué)，2009.

[5] 周立波，王凌云.突出技能培養(yǎng)的《CAD/CAM綜合實(shí)訓(xùn)》課程改革[J].教育教學(xué)論壇，2016（13）：73-74.