地空导弹飞行控制系统的综合仿真测试装置搭建

王承军，谢 侃，华 伟

(上海航天控制技术研究所，上海 201109)

0 引言

地空导弹从地面或海面发射，用于攻击空中目标或拦截其他弹道导弹。作为地空导弹制导控制系统的重要组成部分，导弹飞行控制系统 (flying control system，FCS)的作用是通过敏感元件获得导弹的飞行姿态信息，将其与制导指令进行综合，并按照一定的控制规律操纵伺服机构动作，从而控制和改变导弹飞行过程中的受力情况，实现对导弹飞行轨迹的准确控制［1］。

在地空导弹飞行控制系统的研制过程中，需要完成控制系统及其组成单机的一系列仿真与测试工作，以验证飞行控制系统是否满足设计要求和应用需求。为真实反映地空导弹飞行控制系统产品性能、测试交付产品的控制性能指标，搭建了以仿真测试计算机为核心的自动控制系统综合仿真测试装置，以完成研制产品仿真测试和交付验收测试等工作［2］。

1 仿真与测试组成

1．1 飞行控制系统组成

地空导弹飞行控制系统由控制单元、敏感元件和伺服机构组成。其中，控制单元为飞行控制系统的核心。控制单元接收制导指令和敏感元件传送的弹体飞行姿态信息，经过稳定控制算法计算，输出伺服机构的控制指令，使伺服机构的舵机偏转或其他执行机构动作［1］。导弹本体的飞行姿态，为飞行控制系统的控制对象。飞行控制系统控制原理如图1所示。

图1 飞行控制系统控制原理图Fig．1 Control principle of FCS

1．2 仿真测试组成

为了检验产品性能是否满足设计要求并达到预期结果，需要对飞行控制系统及其单机进行测试。飞行控制系统的测试包括伺服机构测试、敏感元件测试和飞行控制系统仿真测试［3］。其中，伺服机构测试和敏感元件测试是对2个单机设计生产过程和产品质量进行验证和确认，属于单机测试的范畴。只有单机测试满足技术要求并验收合格后，才能组装到飞行控制系统中，进行飞行控制系统仿真与测试。

1．3 飞行控制系统仿真测试

1．3．1 仿真测试分类

以飞行控制系统为对象的仿真测试属于产品系统级仿真测试。按照测试项目和接入测试系统中产品实物状态划分，飞行控制系统仿真与测试包括数字仿真、半实物仿真测试以及综合仿真测试等。飞行控制系统仿真测试分类如图2所示。

图2 仿真测试分类示意图Fig．2 Classification of simulation tests

1．3．2 数字仿真

飞行控制系统数字仿真是指:以数学模型形式构成控制系统的弹体运动、敏感元件、伺服机构以及稳定控制单元等部分，利用计算机技术实现仿真分析工作。数字仿真包括定点数字仿真和全参量数字仿真。其主要作用包括为产品方案论证和决策提供数据、进行系统灵敏度和容差分析、完成系统故障风险分析和特征提取、模拟产品姿态控制和飞行试验等。数字仿真不涉及控制系统的任何实物部件和设备。目前，常用的仿真工具为Matlab工程软件。

1．3．3 半实物仿真测试

飞行控制系统半实物仿真测试是指以控制单元、伺服机构实物产品取代相应数学模型部分构成的仿真系统，进行仿真测试。半实物仿真测试包括定点半实物仿真测试、全参量半实物仿真测试和加载半实物仿真测试。其主要作用是对系统及其部件的功能进行性能分析与检验，以真实反映实物部件动态特性，以及非线性因素对飞行控制系统的性能影响。半实物仿真测试系统框图如图3所示。

图3 半实物仿真测试系统框图Fig．3 Block diagram of the semi-physical simulation test system

在半实物仿真测试状态下，仿真测试系统将弹体模型和敏感元件模型用计算机软件进行编排，再与飞行控制系统控制单元、伺服机构实物构成闭合回路，以模拟弹体运动和导弹飞行控制过程、检验飞行控制器的动态性能。半实物仿真测试计算机实现对弹体、敏感元件数学模型的仿真计算，以及对测试指令的发送、信号采集、数据处理等功能。此外，半实物仿真测试设备还应包括完成信号通道配置功能的辅助电路，以及对测试处理结果进行输出和存储的辅助仪器。

1．3．4 综合仿真测试

飞行控制系统综合仿真测试是指用控制单元、敏感元件和伺服机构实物组成飞行控制系统产品和测试设备的测试工作。飞行控制系统综合仿真测试包括单机零位测试、系统极性测试、积分漂移测试、系统增益测试等。其主要作用是测试单机在控制系统中的零位特征影响、单机组成系统后的积分偏移量、系统增益和极性等重要性能指标。综合仿真测试系统框图如图4所示。

图4 综合仿真测试系统框图Fig．4 Block diagram of the integrated simulation test system

飞行控制系统综合仿真测试是对飞行控制系统产品功能和性能的测试。该测试通过对飞行控制系统产品施加激励信号，检查各单机性能指标的符合性，以及各单机连接后系统的匹配性，并考核控制软件解算的正确性。综合仿真测试是飞行控制系统产品交付测试的重要组成部分。

2 综合仿真测试装置搭建

2．1 系统组成

为了验证飞行控制系统的生产研制质量和可靠性，搭建了以仿真测试计算机为核心的自动控制系统综合仿真测试装置［4］，用于飞行控制系统方案决策和设计验证阶段的数字仿真。该装置也可用于产品研制阶段和交付过程中的半实物仿真测试、综合仿真测试等工作。综合仿真测试装置首次采用了以仿真测试计算机为架构的自动控制测试技术，实现对产品的自动仿真测试。综合仿真测试装置的组成根据接入系统的实物状态不同，可分为数字仿真状态、半实物仿真测试状态和综合仿真测试状态。综合仿真测试装置系统如图5所示。

图5 综合仿真测试装置系统框图Fig．5 Block diagram of the integrated simulation test equipment system

图5中:白色部分为仿真测试设备;灰色底纹为飞行控制系统被测产品。若在仿真测试计算机内搭建飞行控制系统所有单机和导弹弹体数学模型，仅使用仿真测试计算机即可完成数字仿真工作。若仅有控制单元和执行机构实物接入测试系统，实现对执行机构动态性能的测试，即可完成半实物仿真测试。若敏感元件、转台及其控制单元等飞行控制系统的单机都接入测试系统，如图5中的虚线框所示，则可以实现产品系统闭环测试，完成飞行控制系统的综合仿真测试。

2．2 硬件平台

2．2．1 硬件平台组成

综合仿真测试装置硬件平台由综合仿真测试柜、转台及控制部分组成。其中:综合仿真测试柜包含仿真测试计算机(含鼠标显示器)、产品电源、信号适配单元模块、产品电缆和打印机输出设备等;转台及控制部分包括三轴速率转台、转台控制单元及其转台控制电缆［5］。

2．2．2 综合仿真测试柜的搭建

根据数字仿真和测试的技术指标要求，仿真测试计算机选用了ADLINK公司RACK-610酷睿4核工控机，CPU主频为2．6 GHz。另外配置的A/D转换器选用NI PCI-6225 M系列多功能数字信号采集板卡，信号输入范围为－10～+10 V，分辨率可达到16位，最大采样率超过250 K。测试系统D/A转换器选用ADLINK PCI-6216V板卡，其信号输出范围为－10～+10 V，分辨率可达16位。

产品电源选用了安捷伦N5700系列直流电源。它具有输出电压稳定、纹波小、可在线编程等优点。产品电源的可在线编程功能用于实现对产品的自动通断电。

信号适配单元模块主要包括电源转换与控制切换电路板、信号匹配转换电路板和检测电路板等部分［6］。信号适配单元具有产品电源的通断控制与检测、产品信号采集及控制信号的输出、产品通信等功能，并可提供测试设备二次电源。信号适配单元是仿真测试计算机与被测产品之间的桥梁，在测试设备中具有重要作用。

2．2．3 转台及控制部分的搭建

在进行飞行控制系统综合仿真测试时，用转台模拟敏感元件的运动状态，实现系统闭环测试。根据测试技术指标要求，敏感元件需要完成三轴任意角度偏转定位和绕轴最高5 Hz的正弦运动。自研的三轴速率转台可实现上述要求。三轴速率转台机械结构采用三维CAD设计工具Solid Works软件实现，并利用该软件中的COSMOS/Motion插件对结构体进行运动仿真分析［7］，获取最佳实现方案。

转台控制单元由运动控制器和转台电机驱动器组成。转台运动控制器采用下位机控制模式，完成与仿真测试计算机的远程交互通信功能。控制器下位机可通过通信协议接收测试计算机的控制指令，向转台电机驱动器发送转台电机控制信号、回采电机速度反馈信息，从而精确控制速率转台的偏置和旋转角速度。转台电机驱动器选用脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)功率放大的主轴驱动器，转台电机驱动器具有输出力矩大、反应迅速、控制灵活、噪声小的特点，并具有安全报警与保护等功能。

转台运动控制器中安装有转台管理软件和控制软件。其中:管理软件主要用于实现人机交互，显示转台状态信息等功能;控制软件主要用于运行转台控制算法、采集和输出控制信息等功能。管理软件采用LABVIEW语言编写，具有界面友好、美观实用、便于操作的特点，并具备数据实时显示、分析、存储以及远程通信等功能［8-9］。控制软件采用C++语言编写，以保证控制实时性。C++语言具有控制周期小的特点。采用C++语言进行编程，实现了复合控制算法以及软件校正与滤波网络，可以保证转台动、静态的高精度和良好的波形失真度。

2．3 软件实现

测试软件被装载在仿真测试计算机内，对设备功能的实现起关键性作用。其程序采用LabVIEW进行编写［10］。测试软件主要由数字仿真、半实物仿真测试、综合仿真测试等软件组成。测试软件可根据设置的条件，自动进入相应功能，完成操作并输出测试结果曲线［11］。测试软件功能模块包括测试功能选择、配置测试通道、模拟信号并输出、信号采集、弹体模型解算、结果输出等［12］。测试软件还可以提供用户图形控制界面。测试软件流程如图6所示。

图6 测试软件流程图Fig．6 Flowchart of test software

2．4 鉴定与验证

非标设备在使用前必须进行鉴定和验证工作。综合仿真测试仿真装置的鉴定是指:采用标准仪表采集装置的输出、使用信号源对装置进行输入等工作，通过对设备输出输入数据与标准信号的比较，鉴定装置是否满足技术要求。综合仿真测试仿真装置的验证是指:用综合仿真测试装置对已知指标的工艺产品(≥3件)进行测试，通过逐一比较测试结果与已知指标，验证装置是否满足自动完成测试功能。通过对飞行控制系统综合仿真测试装置的鉴定和验证，证明该装置能满足设备技术要求，完成飞行控制系统的仿真和测试功能，达到了用户的使用需求。

3 结束语

本文根据地空导弹飞行控制系统仿真测试内容，提出了一种飞行控制综合仿真测试实现方案和装置。通过搭建以测试计算机为核心的软硬件平台，实现了自动完成飞行控制系统数字仿真、半实物仿真测试、产品综合仿真测试的功能，并通过了设备鉴定和验证。该装置具有测试精度高、重复性好、易操作等优点，在一个非标设备上实现了飞行控制系统的3种仿真测试，为产品的设计开发仿真与生产测试交付提供了高效率平台。设备的应用满足用户的需求，对降低武器装备生产测试成本具有重要作用。