CN103389007A - 一种发射车单机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明为提高宽温域条件下发射车的比例阀控制精度，提供了一种发射车单机控制系统，包括比例阀单机数字控制单元和比例阀单元，其中，比例阀单元驱动导弹发射车上的导弹产生起竖、瞄准和/或定位动作，所述比例阀单机数字控制单元包括：控制模块，根据设定电流目标值和电流反馈值产生脉宽调制信号；功率运放模块，提高所述脉宽调制信号的功率，以驱动比例阀模块；电流闭环反馈模块，处理比例阀模块的实际电流输出值，将电流反馈值反馈给控制模块。试验验证，该单机数字控制系统实现了-40℃～60℃宽温域范围内对发射车单机比例阀的3‰的控制精度。

Description

一种发射车单机控制系统

技术领域

本发明属于自动控制领域，更具体地，涉及一种具有宽温域、高精度反馈控制的比例阀单机数字控制单元的发射车单机控制系统。

背景技术

符合信息化、数字化、网络化这“三化”要求的发射车控制系统的单机产品以满足战略、战术导弹发射车机动发射控制功能需求为目标，综合考虑各型号发射车多种用户需求的装备产品，按产品化的开发思路进行方案设计，通过系列化产品的不同配置，构成满足不同用户需求的通用单机产品。

调平起竖（回转）控制是发射车控制系统的重要控制功能，在发射车占领发射阵地后，控制液压系统实现导弹快速平稳的起竖、瞄准、定位。实现该控制功能核心部件即为单机产品的比例控制模块和比例流量阀、溢流阀等液压阀件。

为满足不同型号发射车要求，通用单机产品比例控制模块需具备多型号比例阀匹配驱动能力，克服比例控制模块本身温漂误差，并具备消除比例阀阻抗变化、驱动电源波动等原因引起的控制量输出误差。

经检索，现有技术中，《导弹发射台新型通用调平系统设计》（郭晓松等，《机床与液压》，第35卷第2期，2007年2月，第114-116页，第243页）公开了一种实现高精度导弹发射台调平的调平液压系统。其中采用了插装式二通电液比例调速阀提高了调平精度：当无控制信号电流输入时，先导阀处于关闭位置，调节器和流量传感器都在弹簧的作用下处于关闭位置，无流量输出。有控制信号电流输入时，在电磁铁推杆的作用下先导阀打开，压力油经固定节流孔及先导阀口流动，使调节器弹簧腔的油压下降，调节器阀口打开，便有流量输出。在油液作用下，流量传感器被抬起与流量大小成比例的高度。位移值通过内圈弹簧反馈到先导阀上，使先导阀口对应于输入电流信号稳定在一定的开度上，保证阀的输出流量与输入信号成比例。虽然该方案能够提高导弹姿态调整时的调整精度，但是，实际使用中由于温度等因素的影响，上述方案不能够在接近极端温度或者温度变化较大的环境中保证调整精度。这样无法满足可靠的导弹姿态调整精度，进而影响打击精度和发射成功率。

发明内容

为了克服现有技术中的上述不足，本发明提供了一种发射车单机控制系统，包括比例阀单机数字控制单元和比例阀单元，其中，比例阀单元驱动导弹发射车上的导弹产生起竖、瞄准和/或定位动作；

所述比例阀单机数字控制单元包括：

控制模块，根据设定电流目标值和电流反馈值产生脉宽调制信号；

功率运放模块，提高所述脉宽调制信号的功率，以驱动比例阀模块；

电流闭环反馈模块，处理比例阀模块的实际电流输出值，将电流反馈值反馈给控制模块。

进一步地，所述比例阀单机数字控制单元还包括向控制模块提供温度反馈值的温度反馈模块。

进一步地，所述控制模块采用XC2287单片机。

进一步地，所述比例阀模块包括比例阀电磁铁。

进一步地，所述功率运放模块包括CMOS驱动芯片。

进一步地，所述电流闭环反馈模块包括数据滤波电路，对实际电流输出值进行滤波处理。

进一步地，所述电流闭环反馈模块按照如下传递函数A(s)对所述实际输出电流输出值进行处理：

$A\left(s\right)=\frac{A_0{{\mathrm{\ω}}_n}^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{Q}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}$

式中，A₀表示脉宽调制信号的幅度，ω_n表示脉宽调制信号的特征角频率，Q表示等效品质因数，

A_VF为闭环电源增益。

进一步地，所述控制模块还包括根据温度反馈模块输出的温度反馈值对脉宽调制信号进行反馈处理的PID运算单元。

进一步地，所述PID运算单元根据积分分离处理和抗饱和处理这两种方式处理电流反馈值。

本发明的有益效果如下：本发明的单机数字控制系统通过电流闭环及温度补偿，经硬件滤波和控制算法处理，实现了比例阀控制量的实时反馈及快速修正。试验验证，该单机数字控制系统实现了-40℃～60℃宽温域范围内对发射车单机比例阀的3‰的控制精度，与现有技术%量级的控制精度相比，取得了显著的进步。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的发射车单机控制系统结构框图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的比例阀单机数字控制单元的电路原理图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的数据滤波电路的电路连接图；以及

图4示出了根据本发明的一个实施例的控制模块中的PID运算单元的处理流程图。

具体实施方式

如图1所示发射车单机控制系统的结构框图，该发射车单机控制系统包括比例阀单机数字控制单元1和比例阀单元20，其中，比例阀单元20驱动导弹发射车上的导弹产生起竖、瞄准和/或定位动作；

所述比例阀单机数字控制单元1包括：

控制模块10，根据设定电流目标值和电流反馈值产生脉宽调制信号；

功率运放模块30，提高所述脉宽调制信号的功率，以驱动比例阀模块；

电流闭环反馈模块40，处理比例阀模块20的实际电流输出值，将电流反馈值反馈给控制模块10。

图2示出了根据本发明的一个实施例的比例阀单机数字控制单元1的电路原理图。在此实施例中，所述控制模块10采用英飞凌的XC2287开发套件，所述比例阀模块20包括发射车上控制导弹产生起竖、瞄准和/或定位动作等姿态调整的比例阀电磁铁，该比例阀电磁铁在图2中串联的采用电感L、电阻R表示；所述功率运放模块30包括CMOS驱动芯片，例如是功率运放三极管T，所述电流闭环反馈模块40包括数据滤波电路70，对功率运放三极管T的集电极输出的实际电流输出值进行滤波处理。

XC2287开发套件的两个AD端口分别连接温度反馈模块50和数据滤波电路70，用于分别接收温度反馈值和电流反馈值。XC2287开发套件的一个输出端口被设置成输出脉宽调制信号（PWM信号），用于驱动发射车单机的比例阀电磁铁。图2中采用具有一定占空比的方波表示该PWM信号。该PWM信号被输出到功率运放三极管T的基极，以对PWM信号的功率进行放大，被放大后的信号从功率运放三极管T的集电极输出。在功率运放三极管T的发射极与大地之间串联一个采样电阻R1，该采样电阻R1的两端连接电流闭环反馈模块40的输入端和接地引脚。电流闭环反馈模块40的集电极与电源VCC之间串接有一个稳压二极管D，串联连接的电感L、电阻R与该稳压二极管D并联。在一个优选的实施例中，功率运放三极管T采用英飞凌的场效应管驱动器BTS740，其工作温度范围为-40℃～+150℃，采用SOP20封装。上述XC2287开发套件和BTS740的周边电路的连接方式对于本领域技术人员而言是公知的，具体信息可以翻阅相关器件手册。在本发明的一个实施例中，上述两个周边电路采用英飞凌公司关于这两个器件的手册中典型应用电路。

图3示出了根据本发明的一个实施例的数据滤波电路的电路连接图。图中，FBI端采集图2中的采样电阻R1的电流信号。该数据滤波电路被设计为两阶压控型低通滤波电路。

设计两阶压控型低通滤波电路进行信号滤波处理，其传递函数如下：

$A\left(s\right)=\frac{A_0{{\mathrm{\ω}}_n}^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{Q}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}---\left(5\right)$

式中ω_n为特征角频率；Q为等效品质因数，A_VF为闭环电源增益。

根据本发明的上述任一实施例，为了更好地提高和保证对比例阀单元的宽温域高精度控制精度，以有效应对极端温度以及温度变化的情况和环境需要，所述比例阀单机数字控制单元1还包括向控制模块10提供温度反馈值的温度反馈模块50。所述控制模块10还包括根据温度反馈模块50输出的温度反馈值对脉宽调制信号进行调整的PID运算单元60。所述PID运算单元60根据积分分离处理和抗饱和处理方式来处理电流反馈值。

在一个优选的实施例中，为了产生高精度的温度反馈值，温度反馈模块50采用由美国MAXIM公司生产的温度传感器DS600。它在不同的环境温度下输出不同的信号电压，再用双运放LM358对信号进行放大，放大后的驱动电压控制场效应管，带动电风扇。DS600是一个高灵敏度、模拟输出温度传感器，它的供电电压范围是2.7V-5.5V。它的温度变化与输出电压的关系是6.45mV／℃，呈直线变化。工作温度范围是-40℃～+125℃，以μSOP8贴片式为封装形式。在-40～+125℃温度范围内保持±0.75℃的精度；6.45mV/℃输出增益，0℃时偏移量为509mV；具有可编程温度调节功能；实现快速温度响应。将采集到的温度信号转化为电压信号，进行数字化以后，反馈给控制模块10的PID运算单元60进行数据处理。

如图4所示，PID运算单元60的处理流程为：首先，通过实时输入或者预先设定，确定想要达到的电流目标值set_speed(k)；将该值与反馈电流值speed(k)作差，得到计算误差e(k)：当计算误差e(k)大于预先确定的上限值Δ时，进行比例微分运算（即PD运算，比例-微分运算），以克服比例阀单机数字控制单元1在启动、结束或大幅度增减电流目标值时，短时间内该比例阀单机数字控制单元1的控制模块10产生的PWM信号引起较大的超调，甚至是震荡；当计算误差e(k)小于或接近预先确定的上限值Δ时，向PD运算中引入积分控制，进行比例-积分-微分运算（即PID运算），以消除静差。上述处理过程中，积分被从一般的PID中分离出来，故本发明称上述做法为积分分离处理：根据电流目标值与电流反馈值之间的计算误差与预设值的比较结果确定进行PD运算还是PID运算。接着，用PD或者PID运算的结果调整所述脉宽调制信号（即图4中的“控制量speed_data(k)”步骤），并进而控制功率运放模块30的输出（即图4中的输出控制步骤）。最后，再根据温度反馈模块50的输出进行查表等方式来实现对所输出的PWM信号的调整。试验表明，这种做法比本领域中处理目标值与反馈值的计算误差时通常只使用PID运算相比，极大地提高了控制的鲁棒性，确保了在宽温域（-40℃～+60℃）或温度不断发生变化的环境下，发射车单机对导弹姿态调整的高精度。

在又一优选的实施例中，本发明还在上述积分分离处理之后引入了抗积分饱和处理。设定累积偏差数据speed_data(k-1)为当前时刻k时的实际电流输出值与k-1时刻的实际电流输出值之间的差值。首先判断上一时刻的累积偏差数据speed_data(k-1)是否已经超出了预先设定的偏差范围：如果speed_data(k-1)大于累积偏差上限data_max，则只累加负偏差；反之，如果speed_data(k-1)小于累积偏差下限data_min，则只累加正偏差，以避免比例阀单机数字控制单元1的输出值，即功率运放模块的输出值长时间停留在饱和区。用累积正偏差和累积负偏差叠加到控制模块10输出的脉宽调制信号，以调整所述脉宽调制信号（即图4中的“控制量speed_data(k)”步骤），并进而控制功率运放模块30的输出（即图4中的输出控制步骤）。最后，再根据温度反馈模块50的输出进行查表等方式来实现对所输出的PWM信号的调整。

本方案采用脉宽调制方式实现比例阀的数字控制，通过硬件电路完成电流采样、数据滤波处理，实现宽温域、高精度的控制输出的闭环反馈。通过调整参数配置（PWM信号的频率、功率运放模块30的载荷、稳压管和功率运放模块30中的场效应管驱动器的死区等参数值），本发明的发射车单机控制系统可以实现对不同型号的比例阀单元的特性匹配，增强了通用性。

以上的各实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种发射车单机控制系统，包括比例阀单机数字控制单元和比例阀单元，其中，比例阀单元驱动导弹发射车上的导弹产生起竖、瞄准和/或定位动作，其特征在于，所述比例阀单机数字控制单元包括：

控制模块，根据设定电流目标值和电流反馈值产生脉宽调制信号；

功率运放模块，提高所述脉宽调制信号的功率，以驱动比例阀模块；

电流闭环反馈模块，处理比例阀模块的实际电流输出值，将电流反馈值反馈给控制模块。

2.根据权利要求1所述的发射车单机控制系统，其特征在于，所述比例阀单机数字控制单元还包括向控制模块提供温度反馈值的温度反馈模块。

3.根据权利要求1-2之一所述的发射车单机控制系统，其特征在于，所述控制模块采用XC2287单片机。

4.根据权利要求1-2之一所述的发射车单机控制系统，其特征在于，所述比例阀模块包括比例阀电磁铁。

5.根据权利要求1-2之一所述的发射车单机控制系统，其特征在于，所述功率运放模块包括CMOS驱动芯片。

6.根据权利要求1-2之一所述的发射车单机控制系统，其特征在于，所述电流闭环反馈模块包括数据滤波电路，对实际电流输出值进行滤波处理。

7.根据权利要求1-2之一所述的发射车单机控制系统，其特征在于，所述电流闭环反馈模块按照如下传递函数A(s)对所述实际输出电流输出值进行处理：

$A\left(s\right)=\frac{A_0{{\mathrm{\ω}}_n}^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{Q}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}$

式中，A₀表示脉宽调制信号的幅度，ω_n表示脉宽调制信号的特征角频率，Q表示等效品质因数，

A_VF为闭环电源增益。

8.根据权利要求2所述的发射车单机控制系统，其特征在于，所述控制模块还包括根据温度反馈模块输出的温度反馈值对脉宽调制信号进行反馈处理的PID运算单元。

9.根据权利要求9所述的发射车单机控制系统，其特征在于，所述PID运算单元根据积分分离处理和抗饱和处理这两种方式处理电流反馈值。

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