彈道修正機構中舵機的模擬控制方法

張福新， 王 海， 郝永平， 張 健

（沈陽理工大學兵器科學技術研究中心，遼寧 沈陽110159）

0 引言

彈道修正機構中，舵機的空間姿態直接影響到彈丸的飛行軌跡，從而影響彈丸對目標的打擊精度。

采用鴨式舵機的彈道修正機構，舵機控制的驗證方法是一項關鍵技術。如果利用靶場射擊試驗進行驗證，將耗費大量財力和物力。本文試圖通過模擬舵機技術進行驗證。

1 彈道修正機構

在導彈的頭部安裝修正機構，可使導彈具有彈道修正能力。修正機構與彈體之間通常由螺紋連接。

修正機構由三部分組成：修正部分、控制部分和姿態測量部分。修正部分與彈體之間由深溝球軸承相連，兩者可自由轉動。控制部分裝有防過載緩沖裝置，保護其中的電子器件和軸承裝置不被沖擊載荷損壞。姿態測量部分通過夾具與修正部分的內腔固連，用來測量彈丸的實時空間位置和速度。

圖1為彈道修正機構的氣動布局，四個舵片對稱布置，兩對舵片的偏角朝向相反。一對舵片用來改變彈丸的飛行方向，另一對舵片用來減旋［1］。

圖1 彈道修正機構氣動布局示意圖

2 模擬實驗裝置的結構

模擬實驗裝置由五部分組成：風阻電機、模擬風阻機構、聯軸器、光電編碼器和控制電機。風阻電機為模擬風阻機構提供旋轉力矩；模擬風阻機構是一個注入甘油的盒子，風阻電機帶動攪拌器攪拌油液，運動油液與模擬風阻機構之間產生摩擦力矩，模擬彈道修正機構中舵機受到的風阻力矩；聯軸器將模擬風阻機構和控制電機的軸連接在一起；光電編碼器測量模擬風阻機構的轉速與停止角度；控制電機的力矩與模擬風阻機構的力矩在聯軸器處匯集，通過調整控制電機的力矩實現模擬風阻機構的不同運動狀態，如正反轉、穩速、定角停止等。

模擬實驗裝置中模擬風阻機構內腔的直徑為66mm，高度為44mm，壁厚為3mm，與聯軸器相連部分的軸徑為10mm。

模擬風阻機構內裝有傳遞力矩的油液。實驗裝置運行時，油液處于高速高壓旋轉運動狀態。為防止漏油，采用了O 型橡膠圈與唇型密封圈，提高模擬風阻機構的密封性［2］。

3 模擬風阻機構的控制方法

為了實現對模擬風阻機構進行簡單有效的控制，必須研究模擬風阻機構控制方法。

在對模擬風阻機構停止運作前，應對其零位進行標定，并調節控制電機力矩使它在較低轉速下運轉。

在零位處，使控制電機開始工作，設預期停止角度 和 零 位 之 差 是 固 定 值：0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°，360°。

若使模擬風阻機構停止在某一預期位置角Φ處，根據物體定軸轉動的能量方程MΦ ＝J（ω22-ω21）／2，可得如式（1）所示的模擬風阻機構停止在預期位置處所需的合力矩。

式中：M 為模擬風阻機構停止在目標位置所需的合力矩；J 為裝置中轉動構件的等效轉動慣量；ω1為模擬風阻機構初始狀態角速度；ω2為模擬風阻機構末狀態角速度；Φ 為目標停止角度。

通過對模擬風阻機構的力矩分析，可得到控制模擬風阻機構電機需要的電磁力矩，如式（2）所示。

式中：Me1為控制電機的電磁力矩；Me2為模擬風阻機構的力矩；Mf為裝置中軸承組的摩擦力矩。

把式（2）代入式（1），可得到如式（3）所示電磁力矩計算式。

式中：模擬風阻機構的角速度ω 由光電編碼器測得；模擬風阻機構的力矩Me2根據對模擬風阻機構的仿真計算得到；裝置中轉動構件的等效轉動慣量J 由Pro／E三維建模軟件計算得出；裝置中軸承組的摩擦力矩Mf通過測量的數據間接計算得出。給定Me2、Φ、ω1、ω2、Mf、J 后，通過式（3）就可求出控制電機需要的電磁力矩，使模擬風阻機構停在預定的角度［3］。

在控制系統發出對模擬風阻機構的修正指令后，首先通過光電編碼器采集模擬風阻機構的零位，然后以式（3）計算出的電磁力矩Me1迅速控制電機，使模擬風阻機構停止動作［4-5］。

4 模擬風阻機構的控制流程

模擬控制系統對模擬風阻機構的轉速和停止角度進行控制。控制系統由STC89C52 單片機、電阻控制電路以及運行控制程序的電腦等組成。實驗中，模擬風阻機構的轉速由光電編碼器實時測量，轉速信息經單片機處理后，進行數碼顯示，并反饋到控制系統，控制系統不斷調整控制電機的外接電阻，以平衡模擬風阻機構受到的摩擦力矩，使模擬風阻機構保持在某一穩定速度或停止的運動狀態。停止角度也由光電編碼器測得。

根據系統控制要求，可完成控制流程的設計，控制流程如圖2所示。圖中，Φ1和Φ 分別表示模擬風阻機構的實際預期停止角度和理論預期停止角度，n1和n分別表示模擬風阻機構的實際轉速和理論轉速。根據實驗要求，模擬風阻機構預期停止角度誤差應控制在±2°范圍內，模擬風阻機構的轉速誤差應控制在±1r／min范圍內。

實測得到的模擬風阻機構的實際預期停止角度和理論預期停止角度，以及模擬風阻機構的實際轉速和理論轉速如表1所示。

圖2 模擬控制系統的控制流程

表1 預期停止角度、轉速的理論值與實際值

由表1可以看出，模擬風阻機構的目標停止角度誤差均在±2°范圍內。模擬風阻機構的實際轉速略小于理論轉速，主要原因是裝置中軸承組的摩擦力導致的。

5 控制模擬風阻機構的驅動電路

在控制電路中，選用STC89C52單片機。由于定值水泥電阻散熱快，可用作可控電阻模塊，其可控制范圍在（4～15）Ω，電阻最小值之所以設置為4Ω，可避免控制電流過大，燒毀控制器件。由于可控電阻模塊的電阻變化具有非連續性，根據系統控制流程的要求，在模擬風阻機構進行穩速和停止動作控制前，系統先加載一個與最終穩速和停止動作需要的阻值差不多的電阻，再根據偏差進行對電阻值的微調，在微調時采用四個1Ω電阻并聯，因此最小微調電阻值為0.25Ω。

控制過程：在單片機發出指令后，經光耦、放大器和圖騰柱電路，使5 V 的信號電壓放大到15V的控制信號電壓，從而使場效應管可以迅速啟動。

控制模擬風阻機構的驅動電路簡圖，如圖3所示［6］。圖中的釋放電路的作用：在場效應管切斷后，使電路與大地相連形成釋放回路，起保護作用。

圖3 控制模擬風阻機構的驅動電路

6 總結

本文介紹了模擬彈道修正機構的實驗裝置。裝置中，風阻電機帶動攪拌器攪拌油液，運動油液與模擬風阻機構之間產生的摩擦力矩，用來模擬彈道修正機構中舵機受到的風阻力矩。控制電機發出的力矩與模擬風阻機構的力矩在聯軸器處匯集，通過調整控制電機的力矩，可改變模擬風阻機構的運動狀態。實驗測得模擬風阻機構的轉速誤差和預期停止角度誤差均在允許范圍內，表明該模擬控制方法的控制原理可行。

［1］ 王曉宇，張嘉易，郝永平.滑翔增程彈的氣動特性仿真研究［J］.成組技術與生產現代化，2014，31（3）：32-35.

［2］ 李新福，陳白寧，郝永平.彈道修正執行機構中電機的控制方法研究［J］.成組技術與生產現代化，2014，31（3）：36-40.

［3］ 鄧四二，李興林，汪久根.角接觸球軸承摩擦力矩特性研究［J］.機械工程學報，2011，（5）：114-220.

［4］ 王磊杰，張紅梅.增量式光電旋轉編碼器及在角減速度測量中的應用［J］.機電產品開發與創新，2005，（5）：115-118.

［5］ 陶仁浩.基于增量式光電編碼器的高精度位置檢測技術研究［D］.南京：南京航空航天大學，2012.

［6］ 胡漢才.單片機原理及其接口技術［M］.北京：清華大學出版社，2010：74-80.