坦克火控系統故障的時域相關虛擬檢測方法

張萬君，李靜陽,，吳曉穎，李國輝，魯益麟

(1.裝甲兵工程學院兵器工程系，北京 100072； 2.66459部隊，北京 102202)

坦克火控系統故障的時域相關虛擬檢測方法

張萬君1，李靜陽1,2，吳曉穎1，李國輝1，魯益麟2

(1.裝甲兵工程學院兵器工程系，北京 100072； 2.66459部隊，北京 102202)

針對精密的坦克火控系統信號復雜、部件模塊不易拆卸檢測,以及信號波形故障不易檢測判別等難題，提出了基于LabVIEW的時域相關虛擬檢測方法。通過虛擬儀器設計，解決了傳統坦克火控系統檢測設備多樣復雜、不易攜帶、不便檢測等問題；通過對火控系統檢測點信號與正常信號的時域相關運算，實現了由相關系數識別信號波形失真等故障。最后，通過仿真實驗進行了驗證，結果表明：該方法可實現對火控系統故障的有效檢測。

虛擬檢測； 時域相關； 坦克火控系統； 故障

坦克火控系統(亦稱火控)是指安裝在坦克內，能使被控武器發揮最大效能的裝置。目前，傳統的坦克火控系統故障檢測方法仍采用針對各分系統、各模塊單獨設計的專門檢測裝備，如觀瞄綜合測試儀、炮控性能檢測儀和電氣部件檢測儀等，還要配置示波器、萬用表等標準測試儀器[1]，如圖1所示，這里僅列出坦克火控系統故障專門檢測設備的一部分。之所以采用眾多的專門檢測設備，是因為火控系統被測信號復雜、特性各異，如火控計算機除了需檢測彈道函數的初速、橫風、藥溫和氣溫修正量等信號之外，還需檢測各控制信號、各傳感器信號等40余種。此外，對于不易拆卸的坦克火控系統各模塊以及狹小的空間環境，傳統的檢測設備顯得功能單一、笨重、多樣，攜帶、檢測均不方便。因此，傳統坦克火控系統故障檢測方法復雜，且不具備對信號波形失真等故障的分析判別能力[1]。

圖1 傳統坦克火控系統故障檢測方法

為此，筆者提出利用LabVIEW開發平臺結合互相關算法，再通過火控系統故障數據的多線程采集技術[2]，將數據采集裝置嵌入便攜電腦，整合火控系統各專門檢測設備于一體，實現對火控系統故障數據的快速采集、波形信號的相關分析等功能。

1 火控系統故障的相關虛擬檢測方案

通過分析傳統火控系統故障的檢測原理、組成和性能等共性因素，筆者提出了基于LabVIEW的坦克火控系統故障的時域相關虛擬檢測方案，如圖2所示，以實現對坦克火控系統性能參數、波形故障等的檢測。

圖2 坦克火控系統故障的時域相關虛擬檢測方案

依據坦克火控系統及其檢測設備原理，利用虛擬測試技術[3-5]將坦克火控系統按火控、炮控和觀瞄3個分系統劃分信號流，形成開關信號、周期信號和脈沖信號等，通過30芯三通轉接口與信號調理模塊，由數據采集(Data AcQuisition,DAQ)設備和主控機構建坦克火控系統的多線程故障數據采集平臺，把采集的狀態數據、波形信號等經互相關算法處理后，再利用LabVIEW模擬火控系統的實際檢測設備，采用軟件編程來實現檢測設備的工作能力。

對坦克火控系統故障、性能參數的檢測，主要是首發命中率和射擊反應時間。其中：射擊反應時間由操作者技能和系統響應時間體現；首發命中率受火控系統各模型影響，包括解命中問題方程組、外彈道方程組及修正量計算公式系等基本數學模型[6]。由于這些模型的建立與求解非常復雜，這里僅給出簡化后的部分模型，如：解命中問題方程組簡化后為

(1)

式中：Δαm、Δβm分別為高低向、方位向提前量；ωα、ωβ分別為目標高低向、方位向相對運動角速度，由火控系統的角速度傳感器測定；tf為彈丸飛行時間，由炮目距離D計算得到。

通過數據擬合得到外彈道逼近多項式，稱之為彈道函數，主要包括瞄準角、飛行時間以及橫風、藥溫、氣溫等修正量。如瞄準角、橫風修正量分別為

(2)

(3)

式中：W為風速；ai為多項式系數。

根據火控系統模型，通過相應檢測端口可獲取火控系統性能參數。由此，通過多線程數據采集[7]，以虛擬檢測替代多種專門檢測設備，用于檢測火控系統在給定參數及工況下的信號輸出，并通過虛擬儀器設計來實現對火控信號的測量和顯示；以相關算法分析系統模塊實測輸出信號的極性、范圍及精度等，與正常信號對比分析二者之間的相關性，判別該實測信號是否存在故障，研究火控系統動態響應與系統性能之間的關系。

2 火控系統故障檢測數字化相關算法

傳統火控系統故障檢測是對其技術指標及傳感器精度等進行測量，以定位故障；但對波形信號、動態參數等不具備分析判斷功能，缺乏對火控系統性能動態響應及過渡性等故障的判別。為此，筆者采用波形信號時域互相關算法來解決這一問題[8]。

依據隨機過程理論，如果火控系統實測信號為y(t)，正常信號為x(t)，則互相關函數

(4)

式中：T為觀測時間；τ為時延。

對式(1)進行歸一化處理，得到互相關系數

[Rxy(τ)-μxμy]/(σxσy)，

(5)

式中：μx、μy和σx、σy分別為x、y的均值與標準差。

時延τ能反映同一火控信號的現在值與過去值的關系，表明火控實測信號與正常信號之間的關系度或相似度，即過渡性,也可由過去值、現在值估計將來值[9]，以進行故障預測。Rxy(τ)是τ的實值函數，解算ρxy(τ)的實質就是衡量實測信號與正常信號不同時刻的差別，即差函數

δ(t)=x(t)-k·y(t+τ)，

(6)

式中：k為同時刻實測信號與正常信號的比例系數。

(7)

(8)

式中：

(9)

其中，Rxx(0)、Ryy(0)分別為x(t)、y(t)的自相關系數。顯然，ρ1 xy(τ)越大，火控實測信號與正常信號波形越相似，發生故障的可能性越小，即二者相關性好，表示該實測信號正常，不存在故障。

為便于計算機解算ρ1xy(τ)，將式(9)離散化為

(10)

式中：m為離散化后的τ整數值；x(n)、y(n)分別為x(t)、y(t)的采樣長度為N的時間序列。這樣，在火控系統故障檢測中，只要把正常信號序列x(n)存儲于數據庫，再取一定長度的實測信號y(n)序列進行相關運算，就可計算二者的相關系數。

3 火控系統故障的虛擬檢測設計實現

通過LabWindows/CVI開發軟件，對坦克火控系統故障的檢測平臺進行圖形化編程和虛擬檢測儀器設計，主要包括3個方面：

1)根據火控系統數學模型，建立火控系統各檢測點信號的實測波形函數分析庫；

2)建立火控系統各檢測點信號正常波形的離散數字化數據庫，以方便程序調用；

3)設計時域相關虛擬檢測儀器，以實現各種波形參數的檢測、控制、顯示及測試結果輸出，如相關函數、相關系數、均值和方差等。

圖3為火控系統故障的時域相關虛擬檢測主程序?；鹂叵到y的實測波形采用多線程數據采集方法獲??；正常波形數據庫依據火控系統數學模型得到；采用圖形化編程方式對火控系統虛擬檢測儀器進行設計，以比較直觀的圖形化窗口及各類控件圖標等進行編譯。這種設計方法簡單、直觀，有利于火控系統故障檢測的虛擬儀器設計與調試，更方便波形參數的檢測與分析。火控系統故障的時域相關虛擬檢測分析界面如圖4所示。

圖3 火控系統故障的時域相關虛擬檢測主程序

由圖4的圖形化控件“分析”按鈕，可實現對火控系統某實測波形與正常波形的相關運算，并在圖形化窗口進行相關函數等波形顯示，根據相關系數大小來判斷火控系統是否存在故障。

4 實驗驗證

為了驗證火控系統故障相關虛擬檢測的可行性，以坦克火控系統火炮耳軸角速度傳感器輸出信號為研究對象，進行相關虛擬檢測的故障分析實驗。

在坦克武器射擊時，往往不能處在平坦地形上，火炮耳軸會有一定側傾角度ψ，造成距離和方向上的偏差，因此必須對耳軸側傾誤差進行修正。

火控系統就是依據初始高低角α0、方向修正量β0和側傾角ψ來計算因耳軸側傾而造成的修正量Δα0、Δβ0[3]，于是，建立其數學模型為

(11)

由式(11)可建立正常波形數據庫，但為了便于實驗研究且不失一般性，在實驗中，將初始方向修正量β0或高低角α0設為0，則火炮耳軸角速度傳感器輸出信號近似為正弦波，與標準正弦波進行相關比較，即可得到火炮耳軸角速度傳感器故障情況。

首先通過30芯轉接口接入火炮耳軸角速度傳感器輸出端，進入火控系統故障的時域相關虛擬檢測程序，點擊虛擬檢測儀面板上的開關按鈕，當開關綠色燈亮起時，代表火控信號檢測與診斷軟件的主程序開始工作，然后由測試通道選擇相應的正弦波相關參數，生成正常信號，再通過設置虛擬控制面板的信號檢測選擇開關，對火炮耳軸角速度傳感器輸出信號進行檢測，并與正常信號進行相關運算。

在實驗中，當對輸入角度信號不施加噪聲時，其輸出端波形與正常信號極為相似，相關系數為0.99，系統工作正常。當對輸入角度信號施加弱噪聲時，檢測結果如圖5所示，此時相關系數在0.8～1之間，系統仍能正常工作。當對輸入角度信號施加強噪聲時，檢測結果如圖6所示，此時相關系數小于0.8，系統工作不正常。

圖5 對輸入角度信號施加弱噪聲的檢測結果

圖6 對輸入角度信號施加強噪聲的檢測結果

可見：通過對火控系統檢測信號進行相關運算分析，可實現對波形參數故障的診斷。

5 結論

通過對坦克火控系統輸出信號的數學建模以及對故障檢測信號的時域相關分析，可對火控系統輸出波形參數進行分析判斷，再通過LabVIEW平臺直觀反映火控信號是否失真，從而判斷是否存在故障。該方法具有快速存儲、智能分析處理，以及設備低廉、靈巧、操作簡單等優點，不失為坦克火控系統故障檢測的一個發展方向。若將該方法與網絡技術相結合，還可實現火控信號的遠程采集，甚至可對遠程的坦克火控系統進行數據云處理、云運算，實時監控每一輛坦克火控系統的工況。

[1] 黃秀成,樸慧京,衣英剛,等.坦克火控系統構造原理與維修[M].北京:解放軍出版社,2006.

[2] 張萬君,李靜陽,牛敏杰,等.坦克火控系統故障的多線程數據采集方法[J].兵器裝備工程學報,2016,220(11):44-48.

[3] 王建新,隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測試技術及工程應用[M].北京:化學工業出版社,2011.

[4] 劉婭,李孝輝,張慧君.基于LabWindows/CVI的儀器測試軟件設計[J].微計算機應用,2007,28(8):854-858.

[5] 吳松齡.LabWindows/CVI下測控串行通信的實現方法[J].測控技術,2012,31(9):88-91.

[6] 王東軍.裝甲兵射擊學教程[M].北京:國防工業出版社,2016.

[7] 牛云鵬,王小鵬,房超,等.利用LabWindows/CVI多線程技術實現實時數據采集[J].電子測試,2011(12): 41-45.

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[9] 陳彥龍,張培林,伍曉亮,等.DCT 和相關分析在軸承故障診斷中的應用[J].機械強度,2013,35(2):138-141.

(責任編輯: 尚彩娟)

Time Domain Correlation Virtual Test Method of Fault forTank Fire Control System

ZHANG Wan-jun1,LI Jing-yang1,2,WU Xiao-ying1,LI Guo-hui1,LU Yi-lin2

(1.Department of Arms Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China；2.Troop No.66459 of PLA,Beijing 102202,China)

To solve the problems that the signal is complex,it is hard to dismount and detect the parts module,and difficult to check and recognize the signal waveform fault for the precise tank fire control system,time domain correlation virtual test method based on LabVIEW is proposed.By the virtual instrument design,the problems that the test equipment of the conventional tank fire control system is diverse and complex,and hard to carry and detect are solved.And then by the time domain correlation computation for the signal of the tank fire control system checkpoint and the normal signal,such faults as signal waveform distortion are distinguished by correlation coefficient.The method is verified by the simulation experiments,and the results show that the method is effective.

virtual test; time domain correlation; tank fire control system; fault

1672-1497(2017)01-0070-04

2016-11-11

國家自然科學基金資助項目(61174219; 51677192)

張萬君(1965-)，男，教授，博士。

TP206+.3

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.015