引言

電液伺服機構(gòu)作為導彈控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，廣泛用于各種型號的彈道式導彈上，它的響應速度和精度直接影響導彈的命中精度。對于電液伺服機構(gòu)這樣一個結(jié)構(gòu)復雜、要求精密的武器裝備，需要電路、液路和氣路多方面的知識，且在測試過程中有嚴格的通電時間限制。目前，基層部隊訓練和軍事院校教學中，由于受通電時間所限，電液伺服機構(gòu)只能依靠文字、圖片、工作流程的動畫演示。短期崗位任職技能操作訓練，也無法滿足“實物實訓”的教學訓練需求，裝備操作號手無法直觀體驗電液伺服機構(gòu)內(nèi)部部件的連接方式和工作過程，不利操作號手對裝備本身和原理的深化認知，成為院校理論教學與部隊操作訓練的瓶頸。

1 電液伺服機構(gòu)原理簡介

某導彈電液伺服機構(gòu)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。它由伺服放大器、轉(zhuǎn)換放大器（電液伺服閥）、液壓執(zhí)行元件、反饋測量元件和液壓源等組成。

伺服放大器：是將指令電壓和反饋電壓信號比較后轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀壤?a href="http://m.brongaenegriffin.com/tags/電流/" target="_blank">電流，控制電液伺服閥工作，達到精確控制的目的;

電液伺服閥：是轉(zhuǎn)換和放大元件，它將伺服放大器放大后的電信號轉(zhuǎn)換為液壓信號（流量、壓力）輸出并加以功率放大;

液壓執(zhí)行元件：是系統(tǒng)在工作中能動作和實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的元件。

其中作動筒輸入的是液壓油，輸出的是位移和力矩;反饋測量元件：是測量系統(tǒng)的輸出量，并轉(zhuǎn)化成反饋信號加入到系統(tǒng)的輸入端，與指令信號進行比較輸出，形成反饋作用，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、精確性。

2 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)某導彈電液伺服機構(gòu)原理仿真裝置的總體功能要求，在保證與實裝工作過程一致的基礎(chǔ)上，結(jié)合該導彈電液伺服機構(gòu)及其測試的特點和工作原理，利用較為成熟自動控制技術(shù)和智能檢測技術(shù)，采用先進的ARM嵌入式計算機系統(tǒng)，如圖2所示。

由圖2可以看出，導彈電液伺服機構(gòu)仿真系統(tǒng)包含能源回路和控制回路。其中能源回路功用是提供恒定壓力、足夠流量液壓工作介質(zhì)，對控制回路的工作起保證作用，其主要元件包括直流電動機、柱塞泵、蓄能器、油箱、溢流活門、防污染元件、過載保護元件和操作元件等。控制回路是伺服控制系統(tǒng)的核心，是伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制的關(guān)鍵，主要由伺服放大器、電液伺服閥、作動器和反饋電位計組成，其作用是提供控制信號促使能源回路相應地動作，并通過反饋回路，對能源回路的動作加以檢測，從而判斷整個系統(tǒng)是否已完成了預期的任務。

由于電氣器件的多方面的適應性，因而用它們來進行反饋測量以及信號放大和信號操作都很理想，另一方面，液壓執(zhí)行器的輸出功率大，結(jié)構(gòu)緊湊，作為動力元件十分合適，在一切電氣器件和液壓元件的組合中，都需要一個元件作為連接兩者的橋梁。在控制系統(tǒng)中，這種轉(zhuǎn)接是由一個電液伺服閥來完成的，伺服閥將小功率的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殚y的運動，然后閥的運動又去控制流向液壓執(zhí)行器的流量和壓力。

控制電路設(shè)計采取功能仿真設(shè)計，使用嵌入式ARM計算機構(gòu)成控制系統(tǒng)。硬件部分主要包括：ARM計算機、接口模塊、驅(qū)動板、各設(shè)備電路等部分。采取分布式控制方式，以ARM計算機為核心，配合各類接口擴展板，實現(xiàn)各類信號的采集與控制。系統(tǒng)仿真控制采取成熟工業(yè)控制技術(shù)，綜合各系統(tǒng)功能需求統(tǒng)一設(shè)計制作，各子系統(tǒng)功能接口板，如I/O、A/D、數(shù)碼管驅(qū)動、電機控制、總線控制等接口板，根據(jù)設(shè)備需要獨立設(shè)計制作，驅(qū)動板主要滿足部分電路和器件的功率要求。由于采用計算機進行仿真控制，外圍接口模塊主要完成時序控制、開關(guān)量控制、信號采集、電平轉(zhuǎn)換等，總線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

伺服機構(gòu)控制電路功能仿真模塊主要采用對外接口功能仿真，即利用某導彈電液伺服機構(gòu)仿真系統(tǒng)可以完成技術(shù)陣地電液伺服機構(gòu)充氣壓力、油面壓力、液壓油溫度檢測等主要任務，再現(xiàn)某導彈電液伺服機構(gòu)單元測試準備流程中的要點環(huán)節(jié);通過某導彈電液伺服機構(gòu)仿真軟件及測試流程，給導彈電液伺服機構(gòu)仿真裝置送入各種測試指令，模擬器根據(jù)指令類型及測試進程，仿真各種現(xiàn)象，并在面板上顯示各種狀態(tài)信息。導彈電液伺服機構(gòu)仿真系統(tǒng)控制面板如圖4所示。

嵌入式ARM計算機綜合處理由電液伺服機構(gòu)仿真設(shè)備發(fā)來的各種操作信息，并進行分類處理，一方面將操作信息發(fā)送到外圍設(shè)備處理模塊，使各分電路工作協(xié)調(diào)一致，實現(xiàn)信息同步交流與共享;另一方面將處理信息上傳到教學系統(tǒng)終端，進行多媒體教學互動和訓練監(jiān)控與管理，嵌入式ARM計算機模塊與上位機的組合結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。外圍模塊主要完成各設(shè)備或儀器的功能仿真，既能獨立工作，又通過總線結(jié)構(gòu)，與通用計算機的進行信息交換，保證系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)。

導彈電液伺服機構(gòu)原理仿真裝置通過建立具有與模擬操作測試同步刷新功能的電路、液路和氣路原理軟件演示系統(tǒng)，利用串口通信協(xié)議，接收操作控制面板實時發(fā)送的模擬操作硬件接口信息，啟動相應的測試原理動態(tài)顯示模塊，實現(xiàn)測試原理的實時動態(tài)教學。可直觀、形象的展示電液伺服機構(gòu)各部件結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系及其整體配合工作情況，對操作號手認知裝備結(jié)構(gòu)、深化原理掌握，具有較好的支撐和保障作用。

導彈電液伺服機構(gòu)原理仿真裝置的硬件設(shè)計綜合采用光電隔離、電磁屏蔽、數(shù)字濾波、軟件容錯等技術(shù)，實現(xiàn)控制電路的模塊化、通用化設(shè)計，便于提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證系統(tǒng)運行的高可靠性。通過選用工業(yè)級液壓元件仿真電動液壓能源仿真裝置和電液伺服作動器仿真裝置，通過透明液壓管路連接各液壓系統(tǒng)，通過控制面板設(shè)計實現(xiàn)伺服機構(gòu)單元測試實作環(huán)節(jié)仿真，最終實現(xiàn)電液伺服機構(gòu)原理仿真。

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要包括管理軟件、主控軟件、子機控制軟件、通信軟件、虛擬仿真軟件、教學軟件等。為提高編程效率，采用了模塊化設(shè)。

系統(tǒng)軟件：本系統(tǒng)使用的計算機輔助測試軟件是C語言和組態(tài)軟件。C語言在Windows操作系統(tǒng)下不僅具有很強的圖形處理功能，而且能對I/O接口的數(shù)據(jù)進行快速的讀寫，還可以直接控制計算機的接口，運行速度快，適于動態(tài)特性試驗，而組態(tài)軟件具有界面直觀和操作方便的特點，適宜進行各種液壓元件的穩(wěn)態(tài)特性試驗。

主控軟件：主要進行操作過程和控制邏輯的仿真，主控程序和相應的硬件電路相配合，完成操作訓練過程中各種開關(guān)量的采集、分析判斷、輸出控制，是保證操作模擬系統(tǒng)正常工作的核心軟件。為確保編制效率，方便調(diào)試修改，控制主程序采用模塊化設(shè)計，共分為：菜單模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、邏輯運算與判斷模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量運算模塊和打印輸出模塊等，各模塊之間采用數(shù)據(jù)耦合的形式，通過公共接口進行數(shù)據(jù)傳輸，在協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作的情況下，有效保證系統(tǒng)運行速度。在整個操作過程中，會根據(jù)用戶的操作自動在各顯示界面跳轉(zhuǎn)，并對數(shù)據(jù)進行自動判讀，現(xiàn)象、狀態(tài)均與真實界面一致。如果獲取的操作邏輯與已存儲的邏輯均不一致，系統(tǒng)會人為用戶進行了誤操作，停止硬件現(xiàn)象控制，所有狀態(tài)恢復初始值，并在軟件界面給出用戶提示。菜單是電液伺服機構(gòu)仿真系統(tǒng)進行人機交互的主要界面，菜單提供各種測試項目選擇，程序退出也是由菜單選擇控制的。事件處理部分采用邏輯原理仿真，對錯誤操作具有一定的容錯性，保證了系統(tǒng)在操作出錯情況下不會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象?？刂浦鞒绦蛄鞒虉D如圖7所示。

通信軟件：主要滿足計算機與計算機之間、計算機與單片機之間以及網(wǎng)絡通信要求。本系統(tǒng)的通訊方式主要包括以太網(wǎng)通訊和RS232串口兩種類型。在設(shè)計時，同時考慮了號位硬件響應速度的不同，對RS232串口單獨開辟線程，當需要響應時，以委托的方法向主進程發(fā)送請求，以協(xié)調(diào)不同的響應速度并防止程序線程栓塞。

故障診斷軟件：在設(shè)備的硬件和軟件上都有故障設(shè)置功能，來實現(xiàn)軟、硬件一體化的故障設(shè)置及配套系統(tǒng)。硬件設(shè)置上留有故障設(shè)置開關(guān)，軟件上建立故障庫，用來訓練操作號手分析、排除一般故障的能力，并把分析、排除故障的成績記錄，作為訓練管理分系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)，為號手評定操作等級提供依據(jù)。

視景仿真軟件：為了方便教學訓練，電液伺服機構(gòu)原理仿真系統(tǒng)加入了各設(shè)備的3D模型和系統(tǒng)的工作原理演示動畫。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以虛擬動畫和3D模型形式實現(xiàn)導彈電液伺服機構(gòu)系統(tǒng)仿真，重現(xiàn)導彈電液伺服機構(gòu)系統(tǒng)工作全過程，使參訓人員能直觀的了解到測試過程中的設(shè)備狀態(tài)變化情況，彌補模擬操作真實感不強的不足。

4 結(jié)束語

本文研制的導彈電液伺服機構(gòu)原理仿真裝置綜合運用現(xiàn)代控制技術(shù)、機電一體化技術(shù)和視景仿真技術(shù)，搭建了系統(tǒng)的硬件平臺，建立了基于實體元件和虛擬視景相結(jié)合的復雜裝備的物理仿真模型。系統(tǒng)集成了某導彈電液伺服機構(gòu)及其測試的教學與訓練功能，能夠完成復雜裝備外觀結(jié)構(gòu)展示、工作過程演示、工作原理學習、故障分析排除等科目，解決了導彈電液伺服機構(gòu)元件多不宜認知、結(jié)構(gòu)復雜難于拆解、工作過程涉及機電液一體化難于仿真等難題，拓寬了導彈武器復雜裝備模型仿真的新思路。

該導彈電液伺服機構(gòu)原理仿真裝置既可代替實裝進行分系統(tǒng)教學訓練，又可進行操作流程的教學訓練，還能夠進行簡單的故障分析排除教學訓練，大大減少了導彈部隊采用實戰(zhàn)裝備訓練的次數(shù)，降低了教學訓練費用，保證了教學訓練時間，提高了導彈部隊的教學訓練效果，深受基層部隊和相關(guān)院校的歡迎。