某型自动操舵系统综合模拟运行平台设计与实现∗

姜海军 李方能

（1.海军四八〇五工厂象山修船厂 宁波 315700）（2.海军工程大学 武汉 430033）

1 引言

操舵控制系统是潜艇运动控制系统的一级子系统，在潜艇中具有十分中重要的地位，操舵系统设计复杂，一旦出现问题将导致潜艇停航，因此操舵系统的维修调试至关重要［1］。

目前国内已建成基于PID控制的自动操舵系统中修修理线，某型自动操舵系统相较基于PID控制的自动操舵系统，在执行机构基本不变的基础上，采用了大量先进技术，控制部分、电源部分等核心分机进行了大幅升级，由机电控制发展为计算机控制，自动化和集成度高［2］。具体体现为：核心板件由原来以模拟电路为主发展为以计算机集成电路为主，板件的集成度和技术含量很高，多数带有程序控制。控制方法由传统PID控制发展为融自适应控制、海浪滤波、参数预测于一体的现代控制。

为解决大型水下航行器实际试验环境搭建的困难，同时为了满足操舵控制系统检修试验的需求，半实物仿真技术被广泛应用于操舵控制系统的开发测试和检修中，半实物仿真在条件允许的情况下尽可能在仿真系统中接入实物，以取代相应部分的数学模型，从而得到更确切的信息［3］。水下航行器的半实物仿真试验能够解决大型水下航行器实际试验环境搭建的困难，同时满足操舵控制系统开发测试的需求［4］。

然而不同型号的操舵系统，其特性不同，适用的潜艇型号不同，潜艇运动模型也有所不同［5］。本文介绍的某型自动操舵系统综合模拟运行平台采用半实物仿真技术，针对某型自动操舵系统的系统特性及潜艇运动特性进行设计，将模拟运行平台与某型自动操舵系统的中央控制台对接，接收中央控制台的各种控制信号，模拟外围舵机伺服系统及潜艇的运动响应，并向中央控制台反馈各种导航信号及操舵系统状态信号，从而构成某型自动操舵系统陆基条件下的实艇工作环境。

2 总体设计

一个完整的潜艇航向、深度、纵倾控制系统是一个由操舵控制系统、液压系统、舵装置、导航系统、指控系统、潜艇集中控制系统、潜艇艇体等系统（装置）组成的一个动态闭环控制系统［6］。某型潜艇操舵闭环控制系统原理如图1所示。

某型自动操舵系统中央控制台是信息处理中心和主要操作部位，可进行“自动”、“随动”和“应急”等三种方式的操纵。它接收操舵人员指令、导航信号及实际舵角信号，控制由“电液阀-液压舵机-反馈机构”构成的舵伺服系统动作，实现对潜艇航向、下潜深度及纵倾的集中控制。

图1 潜艇操舵闭环控制系统原理

除了构成舵角、航向、深度、纵倾的闭环控制回路外，中央控制台还需要进行多个舵机的选择控制、收-推舯舵控制并接收相应的反馈信号构成舵液压机控制回路。

由某型自动操舵系统组成以及该系统与整个潜艇运动控制系统的关系出发，并考虑某型自动操舵系统陆基维修调试的实际需求，研制的运行平台由潜艇运动信号模拟器、舵伺服系统模拟器和接线柜组成。运行平台原理组成框图如图2所示。

图2 运行平台原理组成框图

图中带阴影的实线框设备为运行平台组成设备。运行平台各组成部分的基本功能分析如下：

1）潜艇运动模拟器

用于接收或采集舵角，模拟潜艇运动，并向中央控制台输出综合导航系统、倾角传感器、深度传感器、指控系统等潜艇运动信号，从而为中央控制台实现航向、倾角及深度的自动控制构成潜艇运动信号的闭环反馈［7］。

2）舵伺服系统模拟器

舵伺服系统模拟器由方向舵伺服系统模拟单元、艉升降舵伺服系统模拟单元、舯升降舵伺服系统模拟单元以及舰桥控制台模拟单元组成［8］。舵伺服系统模拟器与中央控制台连接，可以构成多个闭环控制回路，具体包括：构成舵角随动控制回路、构成工作舵机选择闭环回路、构成收/推舯舵闭环回路及模拟输出舰桥控制台的方向舵随动控制信号。

3）接线柜

接线柜主要由接线排、继电器、二极管及转换开关组成。其基本功能为信号切换和信号转接。

信号切换：通过转换开关，实现比例阀控制信号、舵角反馈信号在“模拟器”和“实装”两种工作模式下的切换。

信号转接：由于中央控制台输入输出信号很多，多数电缆连接器及电缆通过的信号来自多个不同设备，因此通过接线柜进行转接后再与中央控制台连接，此外还通过续流二极管对直流电压进行保护。需要通过接线柜转接的信号包括舵机选择控制信号、舯舵收推控制信号及舵机状态信号。

3 硬件设计

3.1 操纵台硬件设计

操纵台主要组成设备包括：工控机、液晶显示器、键盘、鼠标、通信卡和转换器。操纵台计算机系统组成框图如图3所示。

图3 操纵台计算机系统组成图

1）工控机

选用研华IC-510型19标准上架工业控制计算机。配置为：主频2.7GHzINTEL双核处理器、频率800MHz的 2G 内存、全汉 FSP250-60ATP（PF）型250W稳压电源、NVIDIA GeForce GT 520独立显卡，支持双显示器显示。

2）1553B通信卡

作为总线控制器（BC），模拟输出综合导航系统发送至某型自动操舵系统的综合导航信号。选用北京神州飞航开发的基于PCI总线接口的AEC1553-PCI-SBC31RT-S2型1553B通讯卡，该卡采用FPGA设计，可分时工作在BC、RT和MT模式下；采用单通道双冗余数据发送和接收，支持32位时标，分辨率1μs；支持大容量数据存储（16M×16bit）。

3）多串口转换器

工控机USB口通过多串口转换器实现8路串口的扩展。实际使用7个串口，用于向信号贵制定信号模拟单元发送数据以及接受舵伺服系统模拟器的输出信息等。

3.2 信号柜硬件设计

信号柜由深度传感器模拟单元、倾角传感器模拟单元、指控系统模拟单元、舵角反馈采集单元、综合电源单元以及外部电源指示单元组成。各单元采用抽屉通过滑动导槽分层安装在立式机柜内。并在机柜上配置了键盘和LCD屏，键盘用于装订参数、信号源模式选择等

3.2.1 传感器模拟单元设计

传感器模拟单元包括深度传感器模拟单元、倾角传感器模拟单元、指控系统模拟单元、舵角反馈采集单元，电路采用高性能单片机测控电路实现。采用高性能C8051F340单片机为MCU。该单片机集成了丰富的硬件资源，是真正能独立工作的片上系统。最高主频达48MIPS，提供高精度内部晶振，提供2个10位AD，2 UART、USB、SPI等多种接口，通过交叉开关可对IO口灵活配置，PCA模块可实现高精度PWM信号输出和捕获。该单片机配合少量外围接口电路，即可实现测控系统的常用功能。

四个信号单元的面板布局基本相同。面板左侧为电源开关。LED指示板上有多个LED指示灯，提供电源、通信、激磁指示，安装在面板左侧背面。面板中央为LCD屏，右侧为小键盘。对于指控系统模拟单元和舵角反馈采集单元在LCD屏下方增加了激磁开关，用于控制外部激磁是否接入信号单元。

下面以深度传感器模拟单元为例说明传感器模拟单元工作原理。

深度传感器模拟单元用以模拟输出两个深度传感器的潜艇下潜深度信号。

如图4所示，深度传感器模拟单元主要由深度信号发送板、LED显示板、小键盘、LCD组成。深度信号发送板采用两片C8051F340单片机，一片为主单片机，一片为RS485通信单片机。主单片机通过MAX232提供2路RS232C接口，分别用于与操纵台计算机及LCD屏通信。两片单片机通过IO口通信，即主单片机通过8位IO口向通信单片机发送计算的深度码值，通信单片机通过两根IO线将两个RS485通道的通信状态回传给主单片机。通信单片机通过两片隔离RS485收发器ADM2587E输出2路深度RS485信号给中央控制台。

图4 深度传感器模拟单元电路原理图

3.2.2 综合电源单元

综合电源单元用以向各信号单元提供电源，根据各信号单元的电源规格向其提供所需的电源。

3.2.3 外部电源指示单元

用于显示外部输入电源的电压值，包括：

1）中央控制台向深度传感器供电电压指示

采用35W100Ω电阻模拟电源箱中央控制台向深度传感器供电（DC27V）的负载，并采用两个数字电压表HB5135B显示其输出实际电压值，测量范围为0～199.9V，测量精度为0.4V，显示分辨率为0.1 V。数字电压表由AC-DC5V/2A电源模块供电。

2）舵角反馈激磁指示

采用3个交流数字电压表DHC6P-A/V显示中央控制台输出给舵角反馈机构（方向舵、艉升降舵、舯升降舵）的激磁电压值。量程20V，测量范围（10%～100%）×量程，测量精度0.1V，显示分辨率为0.01V。电压表由外部220V/50Hz供电。

3）指控系统激磁指示

采用交流数字电压表DHC6P-A/V显示中央控制台输出给指控系统的建议航向激磁电压值。测量精度和显示分辨率同舵角反馈激磁单元。电压表由220V/50Hz供电。

4 软件设计

潜艇运动模拟器软件包括操纵台主控机软件和各信号单元的单片机软件。

主控机软件主要完成潜艇运动的模拟，而潜艇运动模拟的基础是潜艇运动模型。各信号单元软件主要实现信号单元按实际协议向某型自动操舵系统中央控制台发送信

4.1 潜艇运动建模

为满足自某型自动操舵系统维修调试需要，应建立反映其适用的某型潜艇基本运动规律、复杂程度适中的数学模型，以实现逼真度、实时性、实用性等各方面的有机统一。

采用葛特勒（M.Gertler）方程为原始母型方程，将潜艇运动分解为水平面运动和垂直面运动，分别建立潜艇的水平面运动和垂直面运动模型［9］。建立潜艇运动动力学和运动学的线性方程，在此基础上，根据引俄潜艇的基本参数，对模型中相应的水动力系数进行近似估算，最终得到潜艇六自由度运动模型。在此模型基础上进行仿真试验［10］。

1）动态仿真

基于建立的某型潜艇运动模型进行潜艇运动的动态仿真，观察稳定回转运动、潜浮运动、纵摇横摇运动的纵横倾、纵横摇角变化曲线的变化规律。

2）稳态仿真

基于模型进行稳态仿真，进行有纵倾等速直线定深运动和定常平面回转运动试验，将实际观测数据与随艇资料曲线进行比对，仿真曲线与随艇资料“某型潜艇操纵性条令”中给出的曲线基本吻合。

4.2 主控机软件设计

软件设计是整个模拟器设计的关键，操纵台软件按功能模块划分可分为图5所示的6个模块。

图5 操纵台软件功能模块图

1）人机交互模块

人机交互模块主要实现以下功能：运动模拟设置、初始参数装订、实时参数和图形显示和运行控制（开始、暂停、停止），运行界面如图6、图7所示。

图6 潜艇运动模拟器软件界面（左屏）

2）潜艇运动计算模块

潜艇运动计算模块完成潜艇运动参数的计算，包括：

在操舵运动模式下，基于某型潜艇的操纵运动模型，根据当前舵角计算当前航向、航速、纵倾、横倾和下潜深度等运动参数。

图7 潜艇运动模拟器软件界面（右屏）

在设定运动模式下，基于潜艇运动学方程，根据设定的运动速度，计算当前航向、航速、纵倾、横倾和下潜深度等运动参数［11～12］。

3）综合导航信号模拟模块

按照MIL-STD-1553B接口通讯标准向中央控制台发送综合导航数据，采用时分制、指令/响应型异步传输方式，数据码为曼彻斯特II码。数据更新频率：20次/秒，数据内容包括航向、航速、纵倾、横倾等导航参数及有效性标志字。综合导航通信软件流程如图8所示。

图8 综合导航1553B通信软件流程图

4）串口通信模块

实现操纵台计算机与信号柜各单元MCU、舵伺服系统模拟器计算机之间的串口通信。具有通信自检、通信状态监测、通信数据查看功能，通信模块调用Pcomm软件包函数，实现操纵台工控机与信号柜之间的串口通信。采用中断方式实现数据接收，保证数据实时性。按照数据格式，对接收数据进行容错处理，保证通信的可靠性。通信软件模块的流程如图9所示。

图9 串口通信软件流程图

5）曲线绘制及文件管理模块

实时绘制潜艇运动参数曲线和舵角曲线，并可保存曲线数据。用户可查看参数数据文件，也可通过打开数据文件，绘制历史曲线。

4.3 信号单元软件设计

4.3.1 工作模式

信号柜各单元中，深度传感器模拟单元、倾角传感器模拟单元、指控系统模拟单元及舵角反馈采集单元采用单片机控制。各信号单元的单片机与操纵台计算机构成了分布式计算机系统。操纵台主控计算机作为上位机，信号单元单片机作为下位机。

4.3.2 软件模块设计

各信号单元单片机软件采用C51语言编程，在Keil uVision3集成开发环境下调试开发。按模块化设计，各单元软件模块如表1所示。

表1 信号单元软件模块组成

1）键盘指令处理模块

用于接收键盘输入的各种指令和参数。包括“操纵台/自主”信号源模式切换，在自主模式装订参数等。参数装订采用固定格式。各传感器模拟单元在键盘指令处理模块装订所需数据。

2）LCD显示模块

进行参数和状态显示，刷新率1次/秒。LCD模块主要显示信号源模式、系统状态、参数值等信息，并给出当前可操作命令键提示、输入出错提示。

3）RS232C通信模块

用于接收来自操纵台的参数和通信自检指令，并向操纵台回复相关数据。

各信号单元单片机能接收操纵台计算机的通信自检指令，并立即回复；在“自主”模式下，各信号单元仍向操纵台计算机反馈当前发送的参数及相关状态，从而实现了操纵台对各信号单元的通信状态、参数及其它状态（如有无激磁）的监测。

4）参数计算模块

用于在“自主”装订方式下，按设定的初始参数和变化速度计算当前参数。

5）RS485通信模块

用于采用RS485向某型自动操舵系统中央控制台发送导航参数。

深度传感器模拟单元：在收到中央控制台请求指令后向中央控制台发送2路RS485下潜深度数据。

倾角传感器模拟单元：向中央控制台连续发送1路RS485纵倾数据。

6）信号处理模块

指控系统模拟单元：将建议航向ψr转换成数字/轴角转换模块对应的14位码值D。

舵角反馈采集单元：同时采集激磁电压UR和信号电压UXX，进而转换为舵角值。

5 结语

本文提出的某型潜艇某型自动操舵系统综合模拟运行平台采用半实物仿真技术，解决了某型自动操舵系统中修线的技术难题，与中央控制台、电源箱等分机对接，构成了某型潜艇某型自动操舵系统维修调试的陆基闭环系统。该运行平台功能齐全、使用方便，很大程度上降低了某型自动操舵系统的检修成本，充分考虑各层次维修调试的实际需要，各项性能指标完全满足某型自动操舵系统各种等级修理的需要。该运行平台投入使用后将为某型自动操舵系统形成国内自主保障能力发挥重要作用，产生显著的军事和经济效益。