HILS技術(shù)在水雷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

蔣平，陸曉明

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的進(jìn)步，水中兵器發(fā)展到了一個(gè)新的階段，具備遠(yuǎn)程打擊、精確制導(dǎo)能力的武器才能成為佼佼者。水雷作為具有戰(zhàn)略威懾的水中兵器，有著極其重要的地位。然而，傳統(tǒng)的水雷，其“守株待兔”的作戰(zhàn)方式已經(jīng)跟不上現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的腳步，新一代水雷武器的研制正朝著高機(jī)動(dòng)性、精確打擊、不受水深限制、布放方式多樣化的方向發(fā)展。作為水雷總體技術(shù)中的核心部分，水雷的控制系統(tǒng)無(wú)疑有著重要的地位，其主要功能是根據(jù)水雷航行與攻擊過(guò)程中的彈道要求控制彈體，使其按規(guī)定的彈道運(yùn)動(dòng)，無(wú)論是攻擊的快速性、精確性或者是隱蔽性、抗干擾性，都跟控制系統(tǒng)的效能息息相關(guān)。

半實(shí)物仿真（Hardware in the loop simulation，HILS）指在整個(gè)仿真回路中包含一部分硬件的仿真。與傳統(tǒng)的純數(shù)學(xué)仿真相比，HILS在其整個(gè)系統(tǒng)中接入了一部分實(shí)物，因此仿真結(jié)果往往具有很高的置信度;同時(shí)，由于部分真實(shí)的設(shè)備、產(chǎn)品參與了整個(gè)仿真過(guò)程，這也有助于對(duì)這部分硬件進(jìn)行性能考察，從而使部件能在滿(mǎn)足系統(tǒng)整體性能指標(biāo)的環(huán)境中得到檢驗(yàn)。對(duì)水雷控制系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物仿真，全面評(píng)價(jià)水雷彈體控制特性，可為水雷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)提供有力的依據(jù)，可有效提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和研制質(zhì)量，降低系統(tǒng)的研制周期和研制經(jīng)費(fèi)。

1 水雷控制系統(tǒng)基本組成

隨著精確制導(dǎo)等性能的要求越來(lái)越高，水雷的控制系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜，控制系統(tǒng)包含的設(shè)備有航行控制器、導(dǎo)航設(shè)備、舵機(jī)、敏感元件等。

導(dǎo)航設(shè)備則提供彈體的方位、速度參數(shù);航行控制器根據(jù)水雷彈體的方位、速度以及目標(biāo)的方位、距離進(jìn)行操舵舵角解算;舵機(jī)單元?jiǎng)t根據(jù)航行控制器解算的操舵舵角和實(shí)際舵角進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出系統(tǒng)所需要的操舵角，使彈體偏轉(zhuǎn);敏感元件則獲取水雷彈體的姿態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)。

2 HILS結(jié)構(gòu)組成

HILS結(jié)構(gòu)（如圖1所示）由3部分構(gòu)成:①仿真計(jì)算機(jī)用來(lái)進(jìn)行動(dòng)力模型的設(shè)計(jì)及運(yùn)行程序、處理數(shù)據(jù);②環(huán)境模擬設(shè)備包括運(yùn)動(dòng)仿真器、角運(yùn)動(dòng)仿真器、目標(biāo)特性仿真器等仿真設(shè)備;③被測(cè)實(shí)物一般指控制微機(jī)板、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等硬件設(shè)備［1］。

圖1 HILS結(jié)構(gòu)圖Fig.1Structure of HILS

3 水雷控制系統(tǒng)的HILS功能設(shè)計(jì)

水雷控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)，要求能為水雷控制系統(tǒng)提供真實(shí)的工作環(huán)境，并充分模擬不同的工作條件，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的各種功能和可靠性。具體表現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)如下功能［2］:

1）進(jìn)行水雷的6自由度非線(xiàn)性模型仿真解算;

2）通過(guò)數(shù)字舵機(jī)返回的通信報(bào)文，獲取實(shí)時(shí)的橫舵、直舵角值;

3）通過(guò)深度模擬裝置模擬水雷航行的深度，并通過(guò)壓力傳感器讀取;

4）通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)模擬器實(shí)時(shí)模擬水雷的運(yùn)動(dòng)航行和姿態(tài);

5）通過(guò)慣性測(cè)量組合和仿真計(jì)算機(jī)記錄下航行軌跡。

4 水雷控制系統(tǒng)的HILS系統(tǒng)構(gòu)成

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，在進(jìn)行水雷控制系統(tǒng)HILS設(shè)計(jì)時(shí)，必須包括以下設(shè)備［3］:

1）DSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，主要功能是仿真控制對(duì)象和環(huán)境;

2）MATLAB仿真工作站，主要功能是建立水雷控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型;

3）FLUENT仿真工作站，主要完成彈體特性分析、流體動(dòng)力性能分析;

4）三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)的3個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬水雷的航行姿態(tài)變化，形成逼真的水下運(yùn)動(dòng)環(huán)境。

5）深度模擬器，通過(guò)壓力的變化調(diào)節(jié)，為水雷控制系統(tǒng)的深度傳感器提供深度信息;

6）航行控制器，基于微機(jī)板的航行控制硬件結(jié)構(gòu)，通過(guò)接收到的目標(biāo)、自身的速度和信息進(jìn)行姿態(tài)解算，解算出控制舵角操舵指令后發(fā)給數(shù)字舵機(jī);

7）數(shù)字舵機(jī)，作為航行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)操縱橫舵、直舵和差動(dòng)舵3個(gè)舵面來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引航行;

8）裝定器，通過(guò)串行通信口發(fā)送虛擬目標(biāo)信息;

9）慣性測(cè)量系統(tǒng)，提供水雷的實(shí)時(shí)方位及速度信息，并記錄下彈道軌跡。

圖2 HILS系統(tǒng)原理圖Fig.2Schematic of HILS system

5 水雷控制系統(tǒng)的HILS工作原理

由上述仿真設(shè)備和部分實(shí)物組成的HILS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其工作原理如下:系統(tǒng)上電后，裝定設(shè)備向航行控制器發(fā)送虛擬目標(biāo)信息，航行控制器隨即根據(jù)目標(biāo)信息進(jìn)行舵角控制律的解算，解算出合適的操舵指令后發(fā)給數(shù)字舵機(jī)伺服系統(tǒng)，數(shù)字舵機(jī)開(kāi)始進(jìn)行操舵，舵角信息反饋至DSPACE系統(tǒng)控制對(duì)象模型，該系統(tǒng)根據(jù)水雷的模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算出水雷的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，并輸出至三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，三軸轉(zhuǎn)臺(tái)隨即開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬水雷的真實(shí)姿態(tài)變化，慣性測(cè)量組合則不斷解算出水雷的航行軌跡，并將水雷的方位、速率信息發(fā)送給航行控制器，并記錄下水雷的航行軌跡，最后，將運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)顯示在屏幕上，并計(jì)算相關(guān)的超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差等性能指標(biāo)參數(shù)，以此來(lái)檢驗(yàn)水雷控制系統(tǒng)的工作性能。

6 HILS仿真結(jié)果分析

通過(guò)裝定器發(fā)送的虛擬目標(biāo)方位信息為（26.5°，26.5°），經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真，所得的系統(tǒng)HILS彈道曲線(xiàn)如圖3所示，彈道數(shù)據(jù)如表1所示。

由HILS仿真結(jié)果可以看出，通過(guò)理論計(jì)算的穩(wěn)態(tài)俯仰角和偏航角應(yīng)為26.5°，在控制系統(tǒng)的作用下，水雷的彈道軌跡超調(diào)量≤1.7°，穩(wěn)態(tài)誤差≤1.6°，最大超調(diào)約≤8%，穩(wěn)定收斂時(shí)間≤1.14 s，半振蕩周期≤2。由此可以得出結(jié)論，該水雷控制系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了航向?qū)б刂疲{(diào)較小，收斂時(shí)間較快，缺點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)誤差略大。分析航行控制算法得知，航行控制舵角控制律解算時(shí)采取的是PD控制律，缺少積分I環(huán)節(jié)，因此導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差較大，后續(xù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)則應(yīng)該通過(guò)在控制律中增加積分環(huán)節(jié)來(lái)有效減小穩(wěn)態(tài)誤差。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證水雷控制系統(tǒng)的魯棒性，選擇將仿真流體模型中的敏感參數(shù)偏離試驗(yàn)初值20%的情況，進(jìn)行綜合拉偏試驗(yàn)，所得彈道控制曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 全拉偏雙通道彈道控制曲線(xiàn)圖Fig.4Full bais schematic diagram of dual channel track control

由半實(shí)物仿真系統(tǒng)姿態(tài)曲線(xiàn)可以得出結(jié)論，該水雷控制系統(tǒng)能較好地滿(mǎn)足快速性、穩(wěn)定性等指標(biāo)要求，且能在拉偏±20%的狀態(tài)下完成穩(wěn)定的航行導(dǎo)引控制，控制能力較強(qiáng)。相信經(jīng)過(guò)不斷的控制參數(shù)調(diào)整和算法優(yōu)化，控制能力還能得到進(jìn)一步的提升。

7 結(jié)語(yǔ)

從上述HILS仿真結(jié)果可以得出結(jié)論:半實(shí)物仿真可以有效地模擬水雷工作環(huán)境和姿態(tài)變化，并通過(guò)一系列實(shí)物檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的性能，其仿真結(jié)果具有較高的置信度，且通過(guò)仿真結(jié)果可以快速有效地找出系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要改進(jìn)的地方，大大減少了科研周期和研制經(jīng)費(fèi)。可以斷定，HILS技術(shù)將在水中兵器工程研制中扮演越來(lái)越重要的角色。

［1］雷葉紅．張記華．張春明．基于dSPACE/MATLA B/ Simulink平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)研究［J］．系統(tǒng)仿真技術(shù)，2005，（3）:131－135．

LEI Ye-hong，ZHANG Ji-hua，ZHANG Chun-ming．A real-time system simulation platform based on dSPACE/ MATLAB/simulink［J］．System Simulation Technology，2005，（3）:131－135．

［2］郝睿君．精確制導(dǎo)半實(shí)物仿真技術(shù)研究［D］．南京:南京理工大學(xué)．2004．

［3］王茂勵(lì)．無(wú)人水下航行器的運(yùn)動(dòng)建模與控制策略研究［D］．西安:西北工業(yè)大學(xué)．2007．

［4］彭荊明．舒旭光．深彈控制仿真系統(tǒng)研究［J］．水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2009，（1）:35－38．

PENG Jing-ming，SHU Xu-guang．Research on control simulation system of depth charge［J］．Mine Warfare＆Ship Self-Defence，2009，（1）:35－38．

［5］杜亞娟．半實(shí)物仿真綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)方案［J］．計(jì)算機(jī)工程，2010，（22）:233－235．

DU Ya-juan．Scheme of control system in half-physical simulationcomprehensivetest-bed［J］．Computer Engineering，2010，（22）:233－235．

［6］杜潤(rùn)樂(lè)，王永海．一種導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的新型仿真技術(shù)研究［J］．導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2010，（2）:12－17．

DURun-le，WANGYong-hai．Anewsimulation technology for missiles control system［J］．Missiles and Space Vehicles，2010，（2）:12－17．