某型自動操舵系統綜合模擬運行平臺設計與實現?

姜海軍 李方能

（1.海軍四八〇五工廠象山修船廠 寧波 315700）（2.海軍工程大學 武漢 430033）

1 引言

操舵控制系統是潛艇運動控制系統的一級子系統，在潛艇中具有十分中重要的地位，操舵系統設計復雜，一旦出現問題將導致潛艇停航，因此操舵系統的維修調試至關重要［1］。

目前國內已建成基于PID控制的自動操舵系統中修修理線，某型自動操舵系統相較基于PID控制的自動操舵系統，在執行機構基本不變的基礎上，采用了大量先進技術，控制部分、電源部分等核心分機進行了大幅升級，由機電控制發展為計算機控制，自動化和集成度高［2］。具體體現為：核心板件由原來以模擬電路為主發展為以計算機集成電路為主，板件的集成度和技術含量很高，多數帶有程序控制。控制方法由傳統PID控制發展為融自適應控制、海浪濾波、參數預測于一體的現代控制。

為解決大型水下航行器實際試驗環境搭建的困難，同時為了滿足操舵控制系統檢修試驗的需求，半實物仿真技術被廣泛應用于操舵控制系統的開發測試和檢修中，半實物仿真在條件允許的情況下盡可能在仿真系統中接入實物，以取代相應部分的數學模型，從而得到更確切的信息［3］。水下航行器的半實物仿真試驗能夠解決大型水下航行器實際試驗環境搭建的困難，同時滿足操舵控制系統開發測試的需求［4］。

然而不同型號的操舵系統，其特性不同，適用的潛艇型號不同，潛艇運動模型也有所不同［5］。本文介紹的某型自動操舵系統綜合模擬運行平臺采用半實物仿真技術，針對某型自動操舵系統的系統特性及潛艇運動特性進行設計，將模擬運行平臺與某型自動操舵系統的中央控制臺對接，接收中央控制臺的各種控制信號，模擬外圍舵機伺服系統及潛艇的運動響應，并向中央控制臺反饋各種導航信號及操舵系統狀態信號，從而構成某型自動操舵系統陸基條件下的實艇工作環境。

2 總體設計

一個完整的潛艇航向、深度、縱傾控制系統是一個由操舵控制系統、液壓系統、舵裝置、導航系統、指控系統、潛艇集中控制系統、潛艇艇體等系統（裝置）組成的一個動態閉環控制系統［6］。某型潛艇操舵閉環控制系統原理如圖1所示。

某型自動操舵系統中央控制臺是信息處理中心和主要操作部位，可進行“自動”、“隨動”和“應急”等三種方式的操縱。它接收操舵人員指令、導航信號及實際舵角信號，控制由“電液閥-液壓舵機-反饋機構”構成的舵伺服系統動作，實現對潛艇航向、下潛深度及縱傾的集中控制。

圖1 潛艇操舵閉環控制系統原理

除了構成舵角、航向、深度、縱傾的閉環控制回路外，中央控制臺還需要進行多個舵機的選擇控制、收-推舯舵控制并接收相應的反饋信號構成舵液壓機控制回路。

由某型自動操舵系統組成以及該系統與整個潛艇運動控制系統的關系出發，并考慮某型自動操舵系統陸基維修調試的實際需求，研制的運行平臺由潛艇運動信號模擬器、舵伺服系統模擬器和接線柜組成。運行平臺原理組成框圖如圖2所示。

圖2 運行平臺原理組成框圖

圖中帶陰影的實線框設備為運行平臺組成設備。運行平臺各組成部分的基本功能分析如下：

1）潛艇運動模擬器

用于接收或采集舵角，模擬潛艇運動，并向中央控制臺輸出綜合導航系統、傾角傳感器、深度傳感器、指控系統等潛艇運動信號，從而為中央控制臺實現航向、傾角及深度的自動控制構成潛艇運動信號的閉環反饋［7］。

2）舵伺服系統模擬器

舵伺服系統模擬器由方向舵伺服系統模擬單元、艉升降舵伺服系統模擬單元、舯升降舵伺服系統模擬單元以及艦橋控制臺模擬單元組成［8］。舵伺服系統模擬器與中央控制臺連接，可以構成多個閉環控制回路，具體包括：構成舵角隨動控制回路、構成工作舵機選擇閉環回路、構成收/推舯舵閉環回路及模擬輸出艦橋控制臺的方向舵隨動控制信號。

3）接線柜

接線柜主要由接線排、繼電器、二極管及轉換開關組成。其基本功能為信號切換和信號轉接。

信號切換：通過轉換開關，實現比例閥控制信號、舵角反饋信號在“模擬器”和“實裝”兩種工作模式下的切換。

信號轉接：由于中央控制臺輸入輸出信號很多，多數電纜連接器及電纜通過的信號來自多個不同設備，因此通過接線柜進行轉接后再與中央控制臺連接，此外還通過續流二極管對直流電壓進行保護。需要通過接線柜轉接的信號包括舵機選擇控制信號、舯舵收推控制信號及舵機狀態信號。

3 硬件設計

3.1 操縱臺硬件設計

操縱臺主要組成設備包括：工控機、液晶顯示器、鍵盤、鼠標、通信卡和轉換器。操縱臺計算機系統組成框圖如圖3所示。

圖3 操縱臺計算機系統組成圖

1）工控機

選用研華IC-510型19標準上架工業控制計算機。配置為：主頻2.7GHzINTEL雙核處理器、頻率800MHz的 2G 內存、全漢 FSP250-60ATP（PF）型250W穩壓電源、NVIDIA GeForce GT 520獨立顯卡，支持雙顯示器顯示。

2）1553B通信卡

作為總線控制器（BC），模擬輸出綜合導航系統發送至某型自動操舵系統的綜合導航信號。選用北京神州飛航開發的基于PCI總線接口的AEC1553-PCI-SBC31RT-S2型1553B通訊卡，該卡采用FPGA設計，可分時工作在BC、RT和MT模式下；采用單通道雙冗余數據發送和接收，支持32位時標，分辨率1μs；支持大容量數據存儲（16M×16bit）。

3）多串口轉換器

工控機USB口通過多串口轉換器實現8路串口的擴展。實際使用7個串口，用于向信號貴制定信號模擬單元發送數據以及接受舵伺服系統模擬器的輸出信息等。

3.2 信號柜硬件設計

信號柜由深度傳感器模擬單元、傾角傳感器模擬單元、指控系統模擬單元、舵角反饋采集單元、綜合電源單元以及外部電源指示單元組成。各單元采用抽屜通過滑動導槽分層安裝在立式機柜內。并在機柜上配置了鍵盤和LCD屏，鍵盤用于裝訂參數、信號源模式選擇等

3.2.1 傳感器模擬單元設計

傳感器模擬單元包括深度傳感器模擬單元、傾角傳感器模擬單元、指控系統模擬單元、舵角反饋采集單元，電路采用高性能單片機測控電路實現。采用高性能C8051F340單片機為MCU。該單片機集成了豐富的硬件資源，是真正能獨立工作的片上系統。最高主頻達48MIPS，提供高精度內部晶振，提供2個10位AD，2 UART、USB、SPI等多種接口，通過交叉開關可對IO口靈活配置，PCA模塊可實現高精度PWM信號輸出和捕獲。該單片機配合少量外圍接口電路，即可實現測控系統的常用功能。

四個信號單元的面板布局基本相同。面板左側為電源開關。LED指示板上有多個LED指示燈，提供電源、通信、激磁指示，安裝在面板左側背面。面板中央為LCD屏，右側為小鍵盤。對于指控系統模擬單元和舵角反饋采集單元在LCD屏下方增加了激磁開關，用于控制外部激磁是否接入信號單元。

下面以深度傳感器模擬單元為例說明傳感器模擬單元工作原理。

深度傳感器模擬單元用以模擬輸出兩個深度傳感器的潛艇下潛深度信號。

如圖4所示，深度傳感器模擬單元主要由深度信號發送板、LED顯示板、小鍵盤、LCD組成。深度信號發送板采用兩片C8051F340單片機，一片為主單片機，一片為RS485通信單片機。主單片機通過MAX232提供2路RS232C接口，分別用于與操縱臺計算機及LCD屏通信。兩片單片機通過IO口通信，即主單片機通過8位IO口向通信單片機發送計算的深度碼值，通信單片機通過兩根IO線將兩個RS485通道的通信狀態回傳給主單片機。通信單片機通過兩片隔離RS485收發器ADM2587E輸出2路深度RS485信號給中央控制臺。

圖4 深度傳感器模擬單元電路原理圖

3.2.2 綜合電源單元

綜合電源單元用以向各信號單元提供電源，根據各信號單元的電源規格向其提供所需的電源。

3.2.3 外部電源指示單元

用于顯示外部輸入電源的電壓值，包括：

1）中央控制臺向深度傳感器供電電壓指示

采用35W100Ω電阻模擬電源箱中央控制臺向深度傳感器供電（DC27V）的負載，并采用兩個數字電壓表HB5135B顯示其輸出實際電壓值，測量范圍為0～199.9V，測量精度為0.4V，顯示分辨率為0.1 V。數字電壓表由AC-DC5V/2A電源模塊供電。

2）舵角反饋激磁指示

采用3個交流數字電壓表DHC6P-A/V顯示中央控制臺輸出給舵角反饋機構（方向舵、艉升降舵、舯升降舵）的激磁電壓值。量程20V，測量范圍（10%～100%）×量程，測量精度0.1V，顯示分辨率為0.01V。電壓表由外部220V/50Hz供電。

3）指控系統激磁指示

采用交流數字電壓表DHC6P-A/V顯示中央控制臺輸出給指控系統的建議航向激磁電壓值。測量精度和顯示分辨率同舵角反饋激磁單元。電壓表由220V/50Hz供電。

4 軟件設計

潛艇運動模擬器軟件包括操縱臺主控機軟件和各信號單元的單片機軟件。

主控機軟件主要完成潛艇運動的模擬，而潛艇運動模擬的基礎是潛艇運動模型。各信號單元軟件主要實現信號單元按實際協議向某型自動操舵系統中央控制臺發送信

4.1 潛艇運動建模

為滿足自某型自動操舵系統維修調試需要，應建立反映其適用的某型潛艇基本運動規律、復雜程度適中的數學模型，以實現逼真度、實時性、實用性等各方面的有機統一。

采用葛特勒（M.Gertler）方程為原始母型方程，將潛艇運動分解為水平面運動和垂直面運動，分別建立潛艇的水平面運動和垂直面運動模型［9］。建立潛艇運動動力學和運動學的線性方程，在此基礎上，根據引俄潛艇的基本參數，對模型中相應的水動力系數進行近似估算，最終得到潛艇六自由度運動模型。在此模型基礎上進行仿真試驗［10］。

1）動態仿真

基于建立的某型潛艇運動模型進行潛艇運動的動態仿真，觀察穩定回轉運動、潛浮運動、縱搖橫搖運動的縱橫傾、縱橫搖角變化曲線的變化規律。

2）穩態仿真

基于模型進行穩態仿真，進行有縱傾等速直線定深運動和定常平面回轉運動試驗，將實際觀測數據與隨艇資料曲線進行比對，仿真曲線與隨艇資料“某型潛艇操縱性條令”中給出的曲線基本吻合。

4.2 主控機軟件設計

軟件設計是整個模擬器設計的關鍵，操縱臺軟件按功能模塊劃分可分為圖5所示的6個模塊。

圖5 操縱臺軟件功能模塊圖

1）人機交互模塊

人機交互模塊主要實現以下功能：運動模擬設置、初始參數裝訂、實時參數和圖形顯示和運行控制（開始、暫停、停止），運行界面如圖6、圖7所示。

圖6 潛艇運動模擬器軟件界面（左屏）

2）潛艇運動計算模塊

潛艇運動計算模塊完成潛艇運動參數的計算，包括：

在操舵運動模式下，基于某型潛艇的操縱運動模型，根據當前舵角計算當前航向、航速、縱傾、橫傾和下潛深度等運動參數。

圖7 潛艇運動模擬器軟件界面（右屏）

在設定運動模式下，基于潛艇運動學方程，根據設定的運動速度，計算當前航向、航速、縱傾、橫傾和下潛深度等運動參數［11～12］。

3）綜合導航信號模擬模塊

按照MIL-STD-1553B接口通訊標準向中央控制臺發送綜合導航數據，采用時分制、指令/響應型異步傳輸方式，數據碼為曼徹斯特II碼。數據更新頻率：20次/秒，數據內容包括航向、航速、縱傾、橫傾等導航參數及有效性標志字。綜合導航通信軟件流程如圖8所示。

圖8 綜合導航1553B通信軟件流程圖

4）串口通信模塊

實現操縱臺計算機與信號柜各單元MCU、舵伺服系統模擬器計算機之間的串口通信。具有通信自檢、通信狀態監測、通信數據查看功能，通信模塊調用Pcomm軟件包函數，實現操縱臺工控機與信號柜之間的串口通信。采用中斷方式實現數據接收，保證數據實時性。按照數據格式，對接收數據進行容錯處理，保證通信的可靠性。通信軟件模塊的流程如圖9所示。

圖9 串口通信軟件流程圖

5）曲線繪制及文件管理模塊

實時繪制潛艇運動參數曲線和舵角曲線，并可保存曲線數據。用戶可查看參數數據文件，也可通過打開數據文件，繪制歷史曲線。

4.3 信號單元軟件設計

4.3.1 工作模式

信號柜各單元中，深度傳感器模擬單元、傾角傳感器模擬單元、指控系統模擬單元及舵角反饋采集單元采用單片機控制。各信號單元的單片機與操縱臺計算機構成了分布式計算機系統。操縱臺主控計算機作為上位機，信號單元單片機作為下位機。

4.3.2 軟件模塊設計

各信號單元單片機軟件采用C51語言編程，在Keil uVision3集成開發環境下調試開發。按模塊化設計，各單元軟件模塊如表1所示。

表1 信號單元軟件模塊組成

1）鍵盤指令處理模塊

用于接收鍵盤輸入的各種指令和參數。包括“操縱臺/自主”信號源模式切換，在自主模式裝訂參數等。參數裝訂采用固定格式。各傳感器模擬單元在鍵盤指令處理模塊裝訂所需數據。

2）LCD顯示模塊

進行參數和狀態顯示，刷新率1次/秒。LCD模塊主要顯示信號源模式、系統狀態、參數值等信息，并給出當前可操作命令鍵提示、輸入出錯提示。

3）RS232C通信模塊

用于接收來自操縱臺的參數和通信自檢指令，并向操縱臺回復相關數據。

各信號單元單片機能接收操縱臺計算機的通信自檢指令，并立即回復；在“自主”模式下，各信號單元仍向操縱臺計算機反饋當前發送的參數及相關狀態，從而實現了操縱臺對各信號單元的通信狀態、參數及其它狀態（如有無激磁）的監測。

4）參數計算模塊

用于在“自主”裝訂方式下，按設定的初始參數和變化速度計算當前參數。

5）RS485通信模塊

用于采用RS485向某型自動操舵系統中央控制臺發送導航參數。

深度傳感器模擬單元：在收到中央控制臺請求指令后向中央控制臺發送2路RS485下潛深度數據。

傾角傳感器模擬單元：向中央控制臺連續發送1路RS485縱傾數據。

6）信號處理模塊

指控系統模擬單元：將建議航向ψr轉換成數字/軸角轉換模塊對應的14位碼值D。

舵角反饋采集單元：同時采集激磁電壓UR和信號電壓UXX，進而轉換為舵角值。

5 結語

本文提出的某型潛艇某型自動操舵系統綜合模擬運行平臺采用半實物仿真技術，解決了某型自動操舵系統中修線的技術難題，與中央控制臺、電源箱等分機對接，構成了某型潛艇某型自動操舵系統維修調試的陸基閉環系統。該運行平臺功能齊全、使用方便，很大程度上降低了某型自動操舵系統的檢修成本，充分考慮各層次維修調試的實際需要，各項性能指標完全滿足某型自動操舵系統各種等級修理的需要。該運行平臺投入使用后將為某型自動操舵系統形成國內自主保障能力發揮重要作用，產生顯著的軍事和經濟效益。