某型舰炮引信测合系统的改进研究∗

孙亚东 李 涌

（海军装备部驻郑州地区某部 郑州 450015）

1 引言

根据装备在使用中暴露的问题，对某型舰炮引信测合系统进行改进设计［1］。某型舰炮引信测合系统的主要作用是在弹药发射前装定引信，使弹药实现碰炸、近炸、短保护和长保护等不同功能［2］。原液压系统使用的是双绞齿轮泵，随着技术进步，液压传动系统的效率问题日益突显。变量泵是提高液压传动系统效率的最有效途径［3］。斜盘式轴向变量柱塞泵具有供油压力高、易于实现变量等技术优势，成为绝大多数高压泵控系统的首选动力元件。新的液压系统改用斜盘式轴向变量柱塞泵作为油源［4］。引信测合系统为电液伺服系统。该系统选用新型电液伺服阀，具有动态响应精度高，抗污染能力强，流量大的特点。

引信测合系统工作过程如下［5］：弹药到达引信测合位，压下测合位的两个安全旁通阀，同时输弹机到达前位，凸轮箱打开机液式两位四通阀，使测合帽油缸供油实现弹药戴帽。测合帽油缸带动部件中的开关箱，转动触杆，压下戴帽微动开关送出戴帽信号，戴帽信号经过延时后产生测合有效信号，该信号触发12位计数器工作。计数器对脉冲发生器送出的脉冲进行计数，计数结果经转换并放大后作为该系统的伺服指令。将伺服指令和位置反馈指令进行比较求和，误差信号经过比例-积分调节，并进行功率放大控制伺服阀驱动引信测合马达转动，实现引信装定。引信测合完成，炮弹从测合位向前开始运动前，通过凸轮箱控制实现引信测合帽摘帽。测合帽油缸收回带动开关箱中转动触杆，压下摘帽微动开关送出摘帽信号。引信测合系统的控制结构示意图如图1所示，SJ过程中炮弹抵达测合位后自动进行戴帽动作，系统收到“戴帽好”信息后，计算机把选择的测合指令（来自火控系统）整定为数字量信号，与测合机反馈的编码器位置信号进行比较，其误差经过D/A转换和功率放大后驱动引信伺服阀使引信转动合适角度，当误差满足精度要求（小于1.5°）时表示测合完毕，炮弹离开测合位并给出“摘帽好”信号，系统将计数器复位，为下次测合做好准备。根据系统要求，测合时间必须控制在400ms以内，测合精度要求在4°以内。

从控制角度来讲，引信测合系统为一个位置伺服系统。其中包含两个环节速度环和位置环，通过控制伺服阀的开口可以调节转速，通过码盘和计数器反馈测合机旋转的角度。伺服阀的时间常数约为14ms，可视为一个大惯性环节，转速与位置的关系为积分关系。本控制系统采用的是实时操作系统 Vxworks，控制采样周期为 2ms［6］。

其中θ为转角，y为伺服阀开口量，u为DA输出量。

图1 引信测合控制原理

在实际应用中，发现引信测合系统存在两个问题。第一，引信测合系统的测合帽容易损坏。第二，引信测合系统使用一段时间后，测合精度下降。

2 测合帽易损问题的分析和解决方案

原系统采用的是简单的PI控制方法。直接将火控指令作为给定，测合帽运行轨迹为阶跃运动。在初始阶段，测合帽受到很大的驱动力。测合帽为硬质铜合金，在此情况下容易造成打滑，从而造成测合帽损坏以及测合误差偏大。本文对原控制算法进行了改进，增加了一个前馈环节，在测合初始段（50ms）设为加速段，控制输出逐步增加，有效减小对测合帽的冲击。之后设置250ms的匀速运动段，此时保持测合帽匀速转动。最后100ms撤除前馈引导，完全依靠PI环节使测合帽停止在给定角度。

图2 速度引导曲线

其中，θ为火控系统给定的测合指令，θgiven为程序中给定的转角前馈量［7］。

图3 DA输出量与测合位置反馈

其中粗线为DA输出量，细线为位置反馈，此时进行的是90°测合。图中横轴为时间每格为2ms，纵轴的粗线为DA输出的数字量，细线为测合角度单位为度。

3 零点漂移问题的分析和补偿策略

引信测合系统使用一段时间后，测合精度下降，会超出4°的误差限制。经分析是伺服阀零点漂移造成的。伺服阀零点漂移是指当DA输出为0时伺服阀的转速［8］。理论上通过积分环节能够补偿这种零点漂移造成的误差，但是测合动作必须在400ms以内完成，往往积分还没有完成补偿，弹药已经离开测合位，从而造成测合误差超出允许范围。曾尝试增加积分系数，改善效果不明显，且容易造成系统震荡。此伺服阀标称最大转速为150r/min［9］。伺服阀的零点调整采用手工调节的形式，一般只能控制在4r/min以内。实验证明仅靠积分环节只能补偿不超过5.5r/min的零点漂移。造成伺服阀零点漂移的原因有很多，最主要原因是环境温度的影响。以某门炮的伺服阀为例，在工厂调试室温15℃条件下，零点漂移约为+3r/min；在-20℃条件下，零点漂移约为-9r/min；在40℃条件下，零点漂移约为+11.5r/min。此偏差已经严重影响引信测合系统的精度［10］。

通过修改控制算法解决此问题，是最为简便和迅速的解决途径。拟根据DA输出量与伺服阀转速成正比这个关系计算出偏移量。

其中y0为零点漂移，k值为DA输出到伺服阀的比例系数。将上式积分，得到

因为伺服阀在低转速时，非线性特性较为明显，只在较高转速时实施估算［11］。在程序中选取100ms～250ms这个区段进行积分估算。之所以选用式（4）而不是式（3）进行估算，是基于以下考虑：1）本系统只有位置反馈而没有转速反馈，如果想获取转速不得不采用位置微分的方式，从而引入较大的计算误差。2）直接采用式（3）并没有考虑到扰动的影响，而采用式（4）求取的是一段时间均值，相当于进行了一次滤波，还消弱了伺服阀响应速度慢的影响，得到的数据更具有准确性。

由式（4）可以看出零点漂移估算的准确性严重依赖于k值，k值为DA输出到伺服阀的比例系数，理论上k为一个固定不变的量。实验证明k与温度无关，但当测合角度很小时，k值具有很强的非线性特性。实验表明测合角度小于30°时，应用上述方法同样会产生较大的测合误差。在这种情况下，则采用另一种策略：在测合结束后，输出控制量会收敛于一个值，这个值从理论上来讲就是零点漂移量。因为静摩擦力的存在，它虽与实际值略有偏差，也可以作为补偿量。应用上述方法还存在一个问题就是首发弹的补偿量无法计算。因此在第一发弹到测合位之前，测合系统进行一次180°的不带弹测合，计算出零点漂移量，作为第一发弹的补偿量［12］。

4 结语

引信测合系统在改进后，工作稳定。未出现过测合帽的损坏。测合精度较以前有了较大的提高。在工厂小型SJ试验中，进行了10发引信测合试验，其中5发为30°测合，5发为90°测合。部分试验是在温度为5°条件下进行，部分试验在温度为零下20°条件下进行。在不同温度条件下，测合精度无明显偏差。90°测合最大误差为0.4°，30°测合最大误差为0.85°。原系统工厂小型SJ试验时测合最大误差在1.8°左右，可以看出在改进后引信测合系统对环境的适应性大大加强，测合精度也有所提高。