某型艦炮引信測合系統的改進研究?

孫亞東 李 涌

（海軍裝備部駐鄭州地區某部 鄭州 450015）

1 引言

根據裝備在使用中暴露的問題，對某型艦炮引信測合系統進行改進設計［1］。某型艦炮引信測合系統的主要作用是在彈藥發射前裝定引信，使彈藥實現碰炸、近炸、短保護和長保護等不同功能［2］。原液壓系統使用的是雙絞齒輪泵，隨著技術進步，液壓傳動系統的效率問題日益突顯。變量泵是提高液壓傳動系統效率的最有效途徑［3］。斜盤式軸向變量柱塞泵具有供油壓力高、易于實現變量等技術優勢，成為絕大多數高壓泵控系統的首選動力元件。新的液壓系統改用斜盤式軸向變量柱塞泵作為油源［4］。引信測合系統為電液伺服系統。該系統選用新型電液伺服閥，具有動態響應精度高，抗污染能力強，流量大的特點。

引信測合系統工作過程如下［5］：彈藥到達引信測合位，壓下測合位的兩個安全旁通閥，同時輸彈機到達前位，凸輪箱打開機液式兩位四通閥，使測合帽油缸供油實現彈藥戴帽。測合帽油缸帶動部件中的開關箱，轉動觸桿，壓下戴帽微動開關送出戴帽信號，戴帽信號經過延時后產生測合有效信號，該信號觸發12位計數器工作。計數器對脈沖發生器送出的脈沖進行計數，計數結果經轉換并放大后作為該系統的伺服指令。將伺服指令和位置反饋指令進行比較求和，誤差信號經過比例-積分調節，并進行功率放大控制伺服閥驅動引信測合馬達轉動，實現引信裝定。引信測合完成，炮彈從測合位向前開始運動前，通過凸輪箱控制實現引信測合帽摘帽。測合帽油缸收回帶動開關箱中轉動觸桿，壓下摘帽微動開關送出摘帽信號。引信測合系統的控制結構示意圖如圖1所示，SJ過程中炮彈抵達測合位后自動進行戴帽動作，系統收到“戴帽好”信息后，計算機把選擇的測合指令（來自火控系統）整定為數字量信號，與測合機反饋的編碼器位置信號進行比較，其誤差經過D/A轉換和功率放大后驅動引信伺服閥使引信轉動合適角度，當誤差滿足精度要求（小于1.5°）時表示測合完畢，炮彈離開測合位并給出“摘帽好”信號，系統將計數器復位，為下次測合做好準備。根據系統要求，測合時間必須控制在400ms以內，測合精度要求在4°以內。

從控制角度來講，引信測合系統為一個位置伺服系統。其中包含兩個環節速度環和位置環，通過控制伺服閥的開口可以調節轉速，通過碼盤和計數器反饋測合機旋轉的角度。伺服閥的時間常數約為14ms，可視為一個大慣性環節，轉速與位置的關系為積分關系。本控制系統采用的是實時操作系統 Vxworks，控制采樣周期為 2ms［6］。

其中θ為轉角，y為伺服閥開口量，u為DA輸出量。

圖1 引信測合控制原理

在實際應用中，發現引信測合系統存在兩個問題。第一，引信測合系統的測合帽容易損壞。第二，引信測合系統使用一段時間后，測合精度下降。

2 測合帽易損問題的分析和解決方案

原系統采用的是簡單的PI控制方法。直接將火控指令作為給定，測合帽運行軌跡為階躍運動。在初始階段，測合帽受到很大的驅動力。測合帽為硬質銅合金，在此情況下容易造成打滑，從而造成測合帽損壞以及測合誤差偏大。本文對原控制算法進行了改進，增加了一個前饋環節，在測合初始段（50ms）設為加速段，控制輸出逐步增加，有效減小對測合帽的沖擊。之后設置250ms的勻速運動段，此時保持測合帽勻速轉動。最后100ms撤除前饋引導，完全依靠PI環節使測合帽停止在給定角度。

圖2 速度引導曲線

其中，θ為火控系統給定的測合指令，θgiven為程序中給定的轉角前饋量［7］。

圖3 DA輸出量與測合位置反饋

其中粗線為DA輸出量，細線為位置反饋，此時進行的是90°測合。圖中橫軸為時間每格為2ms，縱軸的粗線為DA輸出的數字量，細線為測合角度單位為度。

3 零點漂移問題的分析和補償策略

引信測合系統使用一段時間后，測合精度下降，會超出4°的誤差限制。經分析是伺服閥零點漂移造成的。伺服閥零點漂移是指當DA輸出為0時伺服閥的轉速［8］。理論上通過積分環節能夠補償這種零點漂移造成的誤差，但是測合動作必須在400ms以內完成，往往積分還沒有完成補償，彈藥已經離開測合位，從而造成測合誤差超出允許范圍。曾嘗試增加積分系數，改善效果不明顯，且容易造成系統震蕩。此伺服閥標稱最大轉速為150r/min［9］。伺服閥的零點調整采用手工調節的形式，一般只能控制在4r/min以內。實驗證明僅靠積分環節只能補償不超過5.5r/min的零點漂移。造成伺服閥零點漂移的原因有很多，最主要原因是環境溫度的影響。以某門炮的伺服閥為例，在工廠調試室溫15℃條件下，零點漂移約為+3r/min；在-20℃條件下，零點漂移約為-9r/min；在40℃條件下，零點漂移約為+11.5r/min。此偏差已經嚴重影響引信測合系統的精度［10］。

通過修改控制算法解決此問題，是最為簡便和迅速的解決途徑。擬根據DA輸出量與伺服閥轉速成正比這個關系計算出偏移量。

其中y0為零點漂移，k值為DA輸出到伺服閥的比例系數。將上式積分，得到

因為伺服閥在低轉速時，非線性特性較為明顯，只在較高轉速時實施估算［11］。在程序中選取100ms～250ms這個區段進行積分估算。之所以選用式（4）而不是式（3）進行估算，是基于以下考慮：1）本系統只有位置反饋而沒有轉速反饋，如果想獲取轉速不得不采用位置微分的方式，從而引入較大的計算誤差。2）直接采用式（3）并沒有考慮到擾動的影響，而采用式（4）求取的是一段時間均值，相當于進行了一次濾波，還消弱了伺服閥響應速度慢的影響，得到的數據更具有準確性。

由式（4）可以看出零點漂移估算的準確性嚴重依賴于k值，k值為DA輸出到伺服閥的比例系數，理論上k為一個固定不變的量。實驗證明k與溫度無關，但當測合角度很小時，k值具有很強的非線性特性。實驗表明測合角度小于30°時，應用上述方法同樣會產生較大的測合誤差。在這種情況下，則采用另一種策略：在測合結束后，輸出控制量會收斂于一個值，這個值從理論上來講就是零點漂移量。因為靜摩擦力的存在，它雖與實際值略有偏差，也可以作為補償量。應用上述方法還存在一個問題就是首發彈的補償量無法計算。因此在第一發彈到測合位之前，測合系統進行一次180°的不帶彈測合，計算出零點漂移量，作為第一發彈的補償量［12］。

4 結語

引信測合系統在改進后，工作穩定。未出現過測合帽的損壞。測合精度較以前有了較大的提高。在工廠小型SJ試驗中，進行了10發引信測合試驗，其中5發為30°測合，5發為90°測合。部分試驗是在溫度為5°條件下進行，部分試驗在溫度為零下20°條件下進行。在不同溫度條件下，測合精度無明顯偏差。90°測合最大誤差為0.4°，30°測合最大誤差為0.85°。原系統工廠小型SJ試驗時測合最大誤差在1.8°左右，可以看出在改進后引信測合系統對環境的適應性大大加強，測合精度也有所提高。