坦克火控系统故障的时域相关虚拟检测方法

张万君，李静阳,，吴晓颖，李国辉，鲁益麟

(1.装甲兵工程学院兵器工程系，北京 100072； 2.66459部队，北京 102202)

坦克火控系统故障的时域相关虚拟检测方法

张万君1，李静阳1,2，吴晓颖1，李国辉1，鲁益麟2

(1.装甲兵工程学院兵器工程系，北京 100072； 2.66459部队，北京 102202)

针对精密的坦克火控系统信号复杂、部件模块不易拆卸检测,以及信号波形故障不易检测判别等难题，提出了基于LabVIEW的时域相关虚拟检测方法。通过虚拟仪器设计，解决了传统坦克火控系统检测设备多样复杂、不易携带、不便检测等问题；通过对火控系统检测点信号与正常信号的时域相关运算，实现了由相关系数识别信号波形失真等故障。最后，通过仿真实验进行了验证，结果表明：该方法可实现对火控系统故障的有效检测。

虚拟检测； 时域相关； 坦克火控系统； 故障

坦克火控系统(亦称火控)是指安装在坦克内，能使被控武器发挥最大效能的装置。目前，传统的坦克火控系统故障检测方法仍采用针对各分系统、各模块单独设计的专门检测装备，如观瞄综合测试仪、炮控性能检测仪和电气部件检测仪等，还要配置示波器、万用表等标准测试仪器[1]，如图1所示，这里仅列出坦克火控系统故障专门检测设备的一部分。之所以采用众多的专门检测设备，是因为火控系统被测信号复杂、特性各异，如火控计算机除了需检测弹道函数的初速、横风、药温和气温修正量等信号之外，还需检测各控制信号、各传感器信号等40余种。此外，对于不易拆卸的坦克火控系统各模块以及狭小的空间环境，传统的检测设备显得功能单一、笨重、多样，携带、检测均不方便。因此，传统坦克火控系统故障检测方法复杂，且不具备对信号波形失真等故障的分析判别能力[1]。

图1 传统坦克火控系统故障检测方法

为此，笔者提出利用LabVIEW开发平台结合互相关算法，再通过火控系统故障数据的多线程采集技术[2]，将数据采集装置嵌入便携电脑，整合火控系统各专门检测设备于一体，实现对火控系统故障数据的快速采集、波形信号的相关分析等功能。

1 火控系统故障的相关虚拟检测方案

通过分析传统火控系统故障的检测原理、组成和性能等共性因素，笔者提出了基于LabVIEW的坦克火控系统故障的时域相关虚拟检测方案，如图2所示，以实现对坦克火控系统性能参数、波形故障等的检测。

图2 坦克火控系统故障的时域相关虚拟检测方案

依据坦克火控系统及其检测设备原理，利用虚拟测试技术[3-5]将坦克火控系统按火控、炮控和观瞄3个分系统划分信号流，形成开关信号、周期信号和脉冲信号等，通过30芯三通转接口与信号调理模块，由数据采集(Data AcQuisition,DAQ)设备和主控机构建坦克火控系统的多线程故障数据采集平台，把采集的状态数据、波形信号等经互相关算法处理后，再利用LabVIEW模拟火控系统的实际检测设备，采用软件编程来实现检测设备的工作能力。

对坦克火控系统故障、性能参数的检测，主要是首发命中率和射击反应时间。其中：射击反应时间由操作者技能和系统响应时间体现；首发命中率受火控系统各模型影响，包括解命中问题方程组、外弹道方程组及修正量计算公式系等基本数学模型[6]。由于这些模型的建立与求解非常复杂，这里仅给出简化后的部分模型，如：解命中问题方程组简化后为

(1)

式中：Δαm、Δβm分别为高低向、方位向提前量；ωα、ωβ分别为目标高低向、方位向相对运动角速度，由火控系统的角速度传感器测定；tf为弹丸飞行时间，由炮目距离D计算得到。

通过数据拟合得到外弹道逼近多项式，称之为弹道函数，主要包括瞄准角、飞行时间以及横风、药温、气温等修正量。如瞄准角、横风修正量分别为

(2)

(3)

式中：W为风速；ai为多项式系数。

根据火控系统模型，通过相应检测端口可获取火控系统性能参数。由此，通过多线程数据采集[7]，以虚拟检测替代多种专门检测设备，用于检测火控系统在给定参数及工况下的信号输出，并通过虚拟仪器设计来实现对火控信号的测量和显示；以相关算法分析系统模块实测输出信号的极性、范围及精度等，与正常信号对比分析二者之间的相关性，判别该实测信号是否存在故障，研究火控系统动态响应与系统性能之间的关系。

2 火控系统故障检测数字化相关算法

传统火控系统故障检测是对其技术指标及传感器精度等进行测量，以定位故障；但对波形信号、动态参数等不具备分析判断功能，缺乏对火控系统性能动态响应及过渡性等故障的判别。为此，笔者采用波形信号时域互相关算法来解决这一问题[8]。

依据随机过程理论，如果火控系统实测信号为y(t)，正常信号为x(t)，则互相关函数

(4)

式中：T为观测时间；τ为时延。

对式(1)进行归一化处理，得到互相关系数

[Rxy(τ)-μxμy]/(σxσy)，

(5)

式中：μx、μy和σx、σy分别为x、y的均值与标准差。

时延τ能反映同一火控信号的现在值与过去值的关系，表明火控实测信号与正常信号之间的关系度或相似度，即过渡性,也可由过去值、现在值估计将来值[9]，以进行故障预测。Rxy(τ)是τ的实值函数，解算ρxy(τ)的实质就是衡量实测信号与正常信号不同时刻的差别，即差函数

δ(t)=x(t)-k·y(t+τ)，

(6)

式中：k为同时刻实测信号与正常信号的比例系数。

(7)

(8)

式中：

(9)

其中，Rxx(0)、Ryy(0)分别为x(t)、y(t)的自相关系数。显然，ρ1 xy(τ)越大，火控实测信号与正常信号波形越相似，发生故障的可能性越小，即二者相关性好，表示该实测信号正常，不存在故障。

为便于计算机解算ρ1xy(τ)，将式(9)离散化为

(10)

式中：m为离散化后的τ整数值；x(n)、y(n)分别为x(t)、y(t)的采样长度为N的时间序列。这样，在火控系统故障检测中，只要把正常信号序列x(n)存储于数据库，再取一定长度的实测信号y(n)序列进行相关运算，就可计算二者的相关系数。

3 火控系统故障的虚拟检测设计实现

通过LabWindows/CVI开发软件，对坦克火控系统故障的检测平台进行图形化编程和虚拟检测仪器设计，主要包括3个方面：

1)根据火控系统数学模型，建立火控系统各检测点信号的实测波形函数分析库；

2)建立火控系统各检测点信号正常波形的离散数字化数据库，以方便程序调用；

3)设计时域相关虚拟检测仪器，以实现各种波形参数的检测、控制、显示及测试结果输出，如相关函数、相关系数、均值和方差等。

图3为火控系统故障的时域相关虚拟检测主程序。火控系统的实测波形采用多线程数据采集方法获取；正常波形数据库依据火控系统数学模型得到；采用图形化编程方式对火控系统虚拟检测仪器进行设计，以比较直观的图形化窗口及各类控件图标等进行编译。这种设计方法简单、直观，有利于火控系统故障检测的虚拟仪器设计与调试，更方便波形参数的检测与分析。火控系统故障的时域相关虚拟检测分析界面如图4所示。

图3 火控系统故障的时域相关虚拟检测主程序

由图4的图形化控件“分析”按钮，可实现对火控系统某实测波形与正常波形的相关运算，并在图形化窗口进行相关函数等波形显示，根据相关系数大小来判断火控系统是否存在故障。

4 实验验证

为了验证火控系统故障相关虚拟检测的可行性，以坦克火控系统火炮耳轴角速度传感器输出信号为研究对象，进行相关虚拟检测的故障分析实验。

在坦克武器射击时，往往不能处在平坦地形上，火炮耳轴会有一定侧倾角度ψ，造成距离和方向上的偏差，因此必须对耳轴侧倾误差进行修正。

火控系统就是依据初始高低角α0、方向修正量β0和侧倾角ψ来计算因耳轴侧倾而造成的修正量Δα0、Δβ0[3]，于是，建立其数学模型为

(11)

由式(11)可建立正常波形数据库，但为了便于实验研究且不失一般性，在实验中，将初始方向修正量β0或高低角α0设为0，则火炮耳轴角速度传感器输出信号近似为正弦波，与标准正弦波进行相关比较，即可得到火炮耳轴角速度传感器故障情况。

首先通过30芯转接口接入火炮耳轴角速度传感器输出端，进入火控系统故障的时域相关虚拟检测程序，点击虚拟检测仪面板上的开关按钮，当开关绿色灯亮起时，代表火控信号检测与诊断软件的主程序开始工作，然后由测试通道选择相应的正弦波相关参数，生成正常信号，再通过设置虚拟控制面板的信号检测选择开关，对火炮耳轴角速度传感器输出信号进行检测，并与正常信号进行相关运算。

在实验中，当对输入角度信号不施加噪声时，其输出端波形与正常信号极为相似，相关系数为0.99，系统工作正常。当对输入角度信号施加弱噪声时，检测结果如图5所示，此时相关系数在0.8～1之间，系统仍能正常工作。当对输入角度信号施加强噪声时，检测结果如图6所示，此时相关系数小于0.8，系统工作不正常。

图5 对输入角度信号施加弱噪声的检测结果

图6 对输入角度信号施加强噪声的检测结果

可见：通过对火控系统检测信号进行相关运算分析，可实现对波形参数故障的诊断。

5 结论

通过对坦克火控系统输出信号的数学建模以及对故障检测信号的时域相关分析，可对火控系统输出波形参数进行分析判断，再通过LabVIEW平台直观反映火控信号是否失真，从而判断是否存在故障。该方法具有快速存储、智能分析处理，以及设备低廉、灵巧、操作简单等优点，不失为坦克火控系统故障检测的一个发展方向。若将该方法与网络技术相结合，还可实现火控信号的远程采集，甚至可对远程的坦克火控系统进行数据云处理、云运算，实时监控每一辆坦克火控系统的工况。

[1] 黄秀成,朴慧京,衣英刚,等.坦克火控系统构造原理与维修[M].北京:解放军出版社,2006.

[2] 张万君,李静阳,牛敏杰,等.坦克火控系统故障的多线程数据采集方法[J].兵器装备工程学报,2016,220(11):44-48.

[3] 王建新,隋美丽.LabWindows/CVI虚拟仪器测试技术及工程应用[M].北京:化学工业出版社,2011.

[4] 刘娅,李孝辉,张慧君.基于LabWindows/CVI的仪器测试软件设计[J].微计算机应用,2007,28(8):854-858.

[5] 吴松龄.LabWindows/CVI下测控串行通信的实现方法[J].测控技术,2012,31(9):88-91.

[6] 王东军.装甲兵射击学教程[M].北京:国防工业出版社,2016.

[7] 牛云鹏,王小鹏,房超,等.利用LabWindows/CVI多线程技术实现实时数据采集[J].电子测试,2011(12): 41-45.

[8] 胡诚,张万君,李凤国.弹丸速度的数字化激光幕测试技术[J].军械工程学院学报,2009,21(4):28-31.

[9] 陈彦龙,张培林,伍晓亮,等.DCT 和相关分析在轴承故障诊断中的应用[J].机械强度,2013,35(2):138-141.

(责任编辑: 尚彩娟)

Time Domain Correlation Virtual Test Method of Fault forTank Fire Control System

ZHANG Wan-jun1,LI Jing-yang1,2,WU Xiao-ying1,LI Guo-hui1,LU Yi-lin2

(1.Department of Arms Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China；2.Troop No.66459 of PLA,Beijing 102202,China)

To solve the problems that the signal is complex,it is hard to dismount and detect the parts module,and difficult to check and recognize the signal waveform fault for the precise tank fire control system,time domain correlation virtual test method based on LabVIEW is proposed.By the virtual instrument design,the problems that the test equipment of the conventional tank fire control system is diverse and complex,and hard to carry and detect are solved.And then by the time domain correlation computation for the signal of the tank fire control system checkpoint and the normal signal,such faults as signal waveform distortion are distinguished by correlation coefficient.The method is verified by the simulation experiments,and the results show that the method is effective.

virtual test; time domain correlation; tank fire control system; fault

1672-1497(2017)01-0070-04

2016-11-11

国家自然科学基金资助项目(61174219; 51677192)

张万君(1965-)，男，教授，博士。

TP206+.3

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.015