原创水下航行器仿真系统数字化和一体化设计

 2008-6-14 09:09  1975 7 7 分类: 测试测量

水下航行器仿真系统数字化和一体化设计

基金项目：国家自然科学基金资助项目(69673024)
作者单位：西北工业大学航海工程学院，西安710072

引　言

众所周知，航行器半实物仿真的主要优点是：①可使无法准确建立数学模型的实物如自动驾驶仪直接进入仿真回路；②通过模型和实物之间的切换，进一步校准数学模型；③直接检验控制系统各部分功能。因而，西方各国都投入了巨大的人力物力建设各种航行器半实物仿真实验室，早在六十年代，美国、日本就开展了水下航行器半实物仿真的研究工作。如何提高半实物仿真系统的精度，一直是国内外仿真工作者着力解决的课题之一。为此,本文设计了一种新型的数字化、一体化为主要特点的水下航行器控制半实物仿真系统，不仅仿真主机由数字仿真机代替了早先的模拟机，而且主要外围仿真设备如三轴转台和水压仿真器亦实现了数字机随动控制，同时研制出仿真主机与外围仿真设备之间的实时数字并行通讯接口。从而为水下航行器的高精度半实物仿真提供了更先进、更完善的技术基础。

1　水下航行器控制系统半实物仿真的特点

为了有效地开展控制系统的数学仿真尤其是半实物仿真的研究工作，有必要研究水下航行器的特点及其对仿真的特殊要求。
　　(1)航行时深度通道是最主要的控制通道，其深度敏感元件依靠测量海水动态压力来给出航行深度，为了实现对深度敏感元件的加载要求，需要研制量程范围大且在浅水深度时仿真精度足够高的水压仿真器。
　　(2)由于水下声探测距离的局限性，为了增大搜索范围，控制系统一般都设计了相当复杂的航行轨迹的程序控制如“8”字形、螺旋形搜索航行方式等，因此要求：
　　a．仿真机除了能解算用微分方程和超越方程描述的连续数学模型以外，还应具备实时解算描述轨迹的大量逻辑运算的能力。
　　b．用于仿真航行器姿态的三轴模拟转台的外环轴应具有多圈连续旋转的能力。
　　(3)由于水密度基本为常数和推进系统启动过程结束后航行体速度基本保持不变，航行器运动在一般条件下可近似看作定常运动,舵机负载仅与舵角有关，从而可以简化舵机负载力矩仿真器的设计。

2　水下航行器控制半实物仿真系统的组成

图1为该仿真系统原理框图,虚线框内为被仿真的驾驶仪实物。

图1　某水下航行器控制半实物仿真系统原理图

其中，仿真设备主要有：

（1）VAX-LAB数字仿真机
VAX机为系统仿真主机，在该计算机上开发了一套航行器实时仿真软件包，包括输入输出、动力学和运动学解算、图形显示、数据处理、自检、开环与闭环检测调试程序等，配备有时钟板KWV11、模数转换板ADV11、并行通讯板DRV11-WA等及VMS实时操作系统［1］。在实时仿真中，由VAX机中时钟板KWV11C设置硬件中断，帧时间一般为5ms。

（2）696数控式三轴电动转台
696数控式三轴电动转台是在原696三轴电动转台经数字化改造而成的一种新型航行器姿态仿真器，航行器在水下运动时航行轨迹复杂，要求仿真器具有高精度多圈回转功能。实现这种仿真要求的一种仿真器控制系统如图2。由PC-486工业控制机作前端机，对输入的航行器角速度进行坐标变换处理，每个8096单片机作为它的下位机，通过实时控制计算，分别控制外、中、内三个框，三个框的位置、速度显示也由另一个8031单片机管理，进行数字显示。这种通讯、计算和控制的数字化方式不仅使伺服控制性能提高，而且设置角运动初始状态、修改控制参数十分方便。在位置反馈设计方面，采用高精度的光学编码器代替了早先的模拟式电位计，通过可逆计数器将脉冲个数表示的角位置信息送往数控装置。光电码盘的应用，就大大提高了航行器多圈回转的精度。同时，在该系统中引入了速度的模拟量反馈，使系统的动特性和低速平稳性得到改善［2］。

图2　数控式多圈回转三轴转台单框原理图

转台主要技术指标：三框均可连续旋转；静态精度：2′;频带：8Hz（按ΔA±10％和Δφ±10°要求）。

（3）水压仿真器
水压仿真器是深度半实物仿真中的关键设备，水压仿真器又称为深度模拟器，是一种电～压力变换装置，它接受来自仿真主机的航行深度的电信号，通过电液变换转换成相应的油压动态变化，并经管路施加于被试的深度传感器上，以实现对含深度传感器在内的自动驾驶仪进行半实物仿真的目的。

水压仿真器由控制器、电液伺服阀、压力反馈装置及液压油源等组成，参见图3。其中，控制器采用8096单片机，控制器与仿真主机的深度等信息的传送可以直接通过实时数字接口并行通讯，从而减少了因数模转换和模拟量传送所带来的误差［3］。