艦載高精度發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

毛 娃,安 娜,陳 焰,毛劍琳

(1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500；2.昆明精密機(jī)械研究所，云南 昆明 650032)

0 引言

為了適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的需要、提高常規(guī)艦載武器的性能，艦載裝備朝著信息化、智能化、高精度的方向發(fā)展，與之對(duì)應(yīng)的發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化程度以及測(cè)試的精度也在持續(xù)不斷的發(fā)展[1-2]。發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)主要應(yīng)用于測(cè)試發(fā)射體發(fā)射過(guò)程中的發(fā)射膛壓、發(fā)射速度、發(fā)射動(dòng)力源等，是整個(gè)多聯(lián)發(fā)射體發(fā)射系統(tǒng)研制、生產(chǎn)試驗(yàn)過(guò)程中不可缺少的關(guān)鍵部分。

現(xiàn)有發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)體積較大，集成度較低，且發(fā)射速度檢測(cè)采用光感檢測(cè)法，需在發(fā)射體上粘貼條形碼。人為粘貼條形碼存在歪斜、褶皺、脫落等情況，會(huì)影響測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性或無(wú)測(cè)試數(shù)據(jù)等[3]。同時(shí)，延長(zhǎng)發(fā)射時(shí)間會(huì)降低發(fā)射效率。在緊急情況下，時(shí)間長(zhǎng)短意味著形勢(shì)的優(yōu)劣，甚至?xí)＜吧妫荒軡M足現(xiàn)代武器裝備的需要[4]。

本文通過(guò)安裝金屬感應(yīng)器和采用金屬感應(yīng)測(cè)速法[5-7]及可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射速度等參數(shù)的綜合檢測(cè)[8]。該設(shè)計(jì)無(wú)需人工粘貼條形碼，可降低人為因素的影響、提高發(fā)射效率、提升測(cè)試精度，從而實(shí)現(xiàn)高精度發(fā)控測(cè)試。

1 基于金屬感應(yīng)的測(cè)速原理

1.1 金屬感應(yīng)原理

金屬感應(yīng)器是利用電渦流效應(yīng)工作。當(dāng)金屬靠近金屬感應(yīng)器時(shí)，會(huì)在金屬表面產(chǎn)生電渦流[9-10]。該渦流會(huì)引起感應(yīng)器阻抗變化，從而產(chǎn)生電脈沖。金屬感應(yīng)器工作原理及等效電路如圖1所示。

圖1 金屬感應(yīng)器工作原理及等效電路圖Fig.1 Working principle and equivalent circuit diagramof the metal sensor

線圈L1中通入高頻正弦交變電流I1，會(huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)H1。當(dāng)金屬物體(金屬穩(wěn)定鰭)進(jìn)入交變磁場(chǎng)時(shí)，由于電渦流作用線圈的阻抗或者電感參數(shù)發(fā)生變化，線圈輸出信號(hào)的變化程度受到被測(cè)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、被測(cè)體表面到線圈底部的距離d、激勵(lì)信號(hào)的頻率f等因素影響。如果控制上述參數(shù)中一個(gè)參數(shù)改變而其余皆不變，就能構(gòu)成測(cè)量該參數(shù)的傳感器[8-9]。因此，通過(guò)參數(shù)的變換，就可以進(jìn)行金屬移動(dòng)速度測(cè)量。

為便于分析，可以把被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個(gè)短路環(huán)中的電流，這樣線圈與被測(cè)導(dǎo)體便等效為相互耦合的兩個(gè)線圈。U1為所施加的激勵(lì)電壓。設(shè)：線圈的電阻為R1、電感為L(zhǎng)1、阻抗為Z1=R1+jωL1；短路環(huán)的電阻為R2、電感為L(zhǎng)2、線圈與短路環(huán)之間的互感系數(shù)為M。M隨線圈與短環(huán)路之間的距離d的減小而增大[10]。

根據(jù)基爾霍夫定律，可列出電壓平衡方程組為：

(1)

則線圈受金屬導(dǎo)體渦流影響后的等效阻抗為：

(2)

分析可知，被測(cè)參數(shù)發(fā)生變化。線圈輸出等效阻抗Z會(huì)發(fā)生變化[11]。通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將阻抗變化轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射體速度的檢測(cè)。

1.2 測(cè)速原理

在原光感檢測(cè)器的位置安裝金屬感應(yīng)器。當(dāng)發(fā)射體經(jīng)過(guò)金屬感應(yīng)器上方時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電渦流，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)的變化會(huì)在傳感器的測(cè)量繞組中產(chǎn)生電壓信號(hào)，通過(guò)對(duì)電壓信號(hào)完成的整形，得到規(guī)整的脈沖信號(hào)。使用高速數(shù)字信號(hào)輸入模塊采集脈沖信號(hào)的上升沿和下降沿，由高速時(shí)間戳模塊記錄上升沿和下降沿的時(shí)間差，由上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)計(jì)算采集數(shù)據(jù)。因發(fā)射體本身的長(zhǎng)度尺寸是已知的，可由式(3)計(jì)算得發(fā)射速度V：

(3)

式中：ΔT為脈沖寬度。

ΔT=T2-T1

(4)

式中：T1為產(chǎn)生上升沿的時(shí)間；T2為產(chǎn)生下降沿的時(shí)間。

因發(fā)射體也為金屬材質(zhì)，為防止誤探測(cè)，設(shè)定感應(yīng)探測(cè)距離為h。

(5)

式中：H1為金屬穩(wěn)定舵與發(fā)射體之間的距離；H2為金屬感應(yīng)器與金屬穩(wěn)定舵之間的距離，用于防止金屬感應(yīng)器產(chǎn)生誤探測(cè)信號(hào)；h為設(shè)計(jì)時(shí)探測(cè)范圍，H1

發(fā)射體劃過(guò)傳感器時(shí)無(wú)脈沖信號(hào)，只有在金屬穩(wěn)定舵劃過(guò)傳感器才會(huì)產(chǎn)出脈沖信號(hào)。金屬感應(yīng)器具有很高的靈敏度、良好的線性度和極為強(qiáng)大的抗干擾的能力，測(cè)量范圍大，不易受油污、水介質(zhì)的影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，價(jià)格低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)不接觸測(cè)量[12]。

感應(yīng)測(cè)速結(jié)構(gòu)及輸出脈沖時(shí)序如圖2所示。

圖2 感應(yīng)測(cè)速結(jié)構(gòu)及輸出脈沖時(shí)序圖Fig.2 Induction speed measurement structure andoutput pulse timing diagram

2 發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)組成

考慮到發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)的高精度和穩(wěn)定性，發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)由金屬感應(yīng)器、PLC控制器和安裝邏輯控制軟件的上位機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射體的發(fā)射速度檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析處理。發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of launch and control test system

發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成。上位機(jī)為一體化工控計(jì)算機(jī)， 用于安裝數(shù)據(jù)分析和處理軟件的計(jì)算機(jī)、檢測(cè)發(fā)射體發(fā)射速度以及發(fā)射過(guò)程中的膛壓的變化，并實(shí)現(xiàn)邏輯分析等功能。通常，金屬感應(yīng)器安裝在原光感傳感器螺紋處。發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)由單項(xiàng)交流220 V供電。

當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，PLC控制器自動(dòng)計(jì)算采集到的膛壓和氣源壓力，并通過(guò)Modbus TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至便攜式計(jì)算機(jī)上進(jìn)行記錄和顯示。當(dāng)氣源達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，PLC控制器發(fā)出發(fā)射控制信號(hào)，使發(fā)射體受氣源推動(dòng)快速發(fā)射。金屬穩(wěn)定鰭劃過(guò)金屬感應(yīng)器時(shí)，金屬感應(yīng)器輸出脈沖信號(hào)，由高速時(shí)間戳記錄脈沖信號(hào)上升沿和下降沿跳變的時(shí)間T1、T2，根據(jù)式(4)計(jì)算發(fā)射速度并上傳到便攜式計(jì)算機(jī)上進(jìn)行記錄和顯示。

2.2 發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)所有涉及程序均使用 C#依托Visual Studio 開(kāi)發(fā)環(huán)境編譯，在Framework平臺(tái)上運(yùn)行。該系統(tǒng)主要通過(guò)設(shè)計(jì)上位機(jī)界面、上位機(jī)和下位機(jī)的通信連接以及數(shù)據(jù)保存三部分實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)界面主要是信息的顯示和交互，通信連接是通過(guò)Modbus TCP/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)管理等功能。

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，對(duì)上位機(jī)系統(tǒng)功能進(jìn)行細(xì)化。系統(tǒng)功能模塊如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊圖Fig.4 System function module diagram

①參數(shù)配置。對(duì)操作人員的信息進(jìn)行錄入、修改以及驗(yàn)證。當(dāng)操作人員信息正確，才可以操作發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)，并通過(guò)參數(shù)配置設(shè)置檢測(cè)參數(shù)量程。

②參數(shù)檢測(cè)。由下位機(jī)傳輸?shù)奶艍汉蜌馄繅毫?shù)據(jù)判斷是否符合發(fā)射要求。當(dāng)發(fā)射按鈕按下且膛壓達(dá)到閾值時(shí)，控制輸出電氣接口的模擬信號(hào)。

③參數(shù)顯示。主要根據(jù)發(fā)射過(guò)程中所測(cè)試的膛壓數(shù)據(jù)，繪制膛壓隨時(shí)間變化的曲線圖，以及顯示發(fā)射體的發(fā)射速度。

④界面操作。主要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示、功能界面切換等功能。

There are not as many restaurants as there were.現(xiàn)在餐館沒(méi)有過(guò)去多了。

下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)壓力采集、速度檢測(cè)、發(fā)射控制等功能。下位機(jī)系統(tǒng)功能模塊如圖5所示。

圖5 下位機(jī)系統(tǒng)功能模塊圖Fig.5 Function module diagram of lower computer system

①壓力采集。高速A/D模塊采集壓力變速器信號(hào)由式(6)計(jì)算出測(cè)量壓力值，并發(fā)送至便攜式PC工控機(jī)進(jìn)行保存和顯示。

(6)

②速度檢測(cè)。根據(jù)金屬感應(yīng)器輸出的脈沖信號(hào)，時(shí)間戳高速數(shù)字輸入模塊記錄脈沖信號(hào)上升沿和下降沿的時(shí)間差，由式(3)計(jì)算出出管速度并將速度信息通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送至便攜式PC工控機(jī)上保存和顯示。

③發(fā)射控制。檢測(cè)發(fā)射按鈕的狀態(tài)。當(dāng)發(fā)射按鈕按下，將控制發(fā)射信息通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)判斷是否符合發(fā)射條件。如條件符合，則傳輸同意發(fā)射數(shù)據(jù)，由下位機(jī)控制輸出發(fā)射模擬信號(hào)。

④上位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。通過(guò)以太網(wǎng)完成上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換功能。

3 測(cè)試檢驗(yàn)

發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試分為試驗(yàn)室原理測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試。在試驗(yàn)室對(duì)發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行原理性測(cè)試。模擬試驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模擬試驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Simulation experiment test structure diagram

通過(guò)金屬薄片劃過(guò)金屬感應(yīng)器模擬發(fā)射體在發(fā)射管中發(fā)射時(shí)穩(wěn)定鰭滑過(guò)的金屬感應(yīng)器的過(guò)程，以不同的距離靠近金屬感應(yīng)器驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的檢定距離h是否滿足要求。當(dāng)探測(cè)距離內(nèi)探測(cè)到金屬薄片時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)上升沿；當(dāng)金屬薄片消失，產(chǎn)生一個(gè)下降沿；當(dāng)超出探測(cè)距離時(shí)，金屬感應(yīng)器無(wú)反應(yīng)。試驗(yàn)測(cè)試探測(cè)距離小于1.6 cm，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

發(fā)射體的金屬穩(wěn)定鰭長(zhǎng)度為210 mm，發(fā)射速度在23～25 m/s范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)測(cè)試儀速度測(cè)試范圍為0～30 m/s。最大速度30 m/s時(shí)，金屬穩(wěn)定鰭劃過(guò)金屬感應(yīng)器的最短時(shí)間為7 ms。試驗(yàn)室采用步進(jìn)電機(jī)控制滑臺(tái)模擬金屬穩(wěn)定鰭劃過(guò)金屬傳感器(最大速度為3 m/s)。為了模擬實(shí)際發(fā)射過(guò)程，需縮短鰭長(zhǎng)，使其脈寬≤7 ms。使用寬度為7 mm金屬薄片模擬金屬穩(wěn)定鰭，根據(jù)式(4)測(cè)得金屬薄片移動(dòng)速度為1 m/s時(shí)，即可達(dá)實(shí)際鰭長(zhǎng)210 mm時(shí)的最大發(fā)射速度30 m/s；模擬測(cè)試可達(dá)最大速度3 m/s，脈寬時(shí)間約為2.33 ms。設(shè)計(jì)使用的300 ns時(shí)間戳高速數(shù)字輸入模塊遠(yuǎn)高于實(shí)際精度要求，無(wú)漏檢的情況發(fā)生。

試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)射測(cè)試結(jié)果為：發(fā)射速度精度高于1%，膛壓測(cè)速精度高于1.5%。艦載高精度發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，未出現(xiàn)漏檢、誤檢情況。測(cè)試中可以保存設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)膛壓和氣源壓力數(shù)據(jù)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)控制系統(tǒng)提升數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文采用金屬感應(yīng)測(cè)速法和計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)，開(kāi)發(fā)了艦載高精度發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)光感檢測(cè)法測(cè)速需要人工粘貼條形碼的缺陷，以及發(fā)控測(cè)試系統(tǒng)體積較大的問(wèn)題。該測(cè)試系統(tǒng)成本低、數(shù)據(jù)可靠，系統(tǒng)方案集成度更高。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，測(cè)試系統(tǒng)時(shí)間誤差小于0.1 ms，發(fā)射速度測(cè)試精度高于1%，膛壓測(cè)試精度高于1.5%。該設(shè)計(jì)達(dá)到了縮短發(fā)控系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間、提升測(cè)試效率、提高測(cè)試精度、減輕測(cè)試人員勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。