论文部分内容阅读
摘要：为了满足某型号导弹发射系统自动驾驶仪的动态测试要求，分析了该自动驾驶仪的测试需求，设计了自动驾驶仪单通道定点半实物仿真试验测试系统。本文介绍了系统的软硬件结构及功能，应用LabVIEW软件编写测试程序，实现了数据的实时采集、处理和保存等功能。实验结果表明，该动态测试系统操作方便、扩展性能强，完全能满足动态自动驾驶仪的测试需求。
关键词：动态测试系统；自动驾驶仪；数据采集
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.016
引言
现代战场环境日益复杂，要求机动性越来越高，目标打击越来越准。导弹是现代化战争必不可少的武器，研究导弹的控制技术，提高导弹的机动作战性能，显得尤为重要。作为导弹的主要控制测试设备的自动驾驶仪的完善和优良程度具有重要作用。随着某型号导弹的改进和大量使用，要求被测信号通道数增多、波形复杂、判读精度高，传统的测试台操作复杂、误差大、成本高，有必要针对某型号导弹研制一套智能化水平高的、能够测试动态性能（或称半实物仿真试验）的导弹自动驾驶仪。
1 自动驾驶仪动态测试系统的总体设计
自动驾驶仪动态性能测试（或称半实物仿真试验）是将弹体模型、敏感元件用计算机软件编排，与弹上计算机（即数字控制器）和舵机舱（即伺服执行机构）实物构成闭合回路，模拟弹体运动和自动驾驶仪稳定控制过程，以检验驾驶仪动态性能。
导弹自动驾驶仪动态测试系统由硬件和软件两个部分组成。其主要作用是对导弹驾驶仪的物理参数进行采集、处理和记录，以数字和图像等方式显示测试和处理结果，并具有一定的故障诊断能力。
根据测试需求和“功能够用”原则，首先确定测试需求和进行需求分析，确定总体方案。在此基础上，选择采集设备和接口设备，组建硬件系统并合理配置系统资源，对测试设备与被测件之间的接口进行适配调试；待硬件系统搭建完成并调试正常时，进行软件编程及调试；最后对整个测试系统进行测试。系统设计流程如图1所示。
整个系统采用台式结构，基本分为三个模块部分：工控机、控制组合和电源系统。工控机模块含有A/D、D/A、DIO以及软件；控制组合模块包括隔离板、一级加电保护模块、二级加电保护模块、增益模块、面板上各种接插件转接组合、交/直流电压/电流测量模块等：电源模块是供给产品的直流电源。本系统的原理组成如图2。
2 导弹的数学模型
为了能将系统的数学模型在计算机上进行系统仿真，必须先将系统的数学模型转换为计算机上进行计算求解的仿真模型。随着控制系统仿真理论的日趋完善，转换的方法也日趋繁多，在工程应用中，弹体模型的转换方法常用的是四阶龙格一库塔法。下面具体介绍转换的方法及应用。
2.1 方法说明
四阶龙格一库塔的计算公式为：
（2-1）
式（2-1）中出现的变量，除h和t外全是向量，在编程时要特别注意。
对于线性微分方程，状态方程为：
即系统的数学模型可以用一阶线性微分方程组描述为：
（2-2）
式（2-2）也可用数值积分法来计算，即对于第一式，可将a11x1+a12x2+…a1nxn+b1u看作f（t1，x1，x2，…，xn，u）。當已知x1，x2，…，xn的初值及u（t）后，就可求出x1，x2，…，xn随时间变化的整个过程。
3 动态测试系统的设计
3.1 硬件实现
测试系统硬件主要包括两部分，一个是实时测试数据采集工控机，另一个是电源采集模块。
1）仿真计算机的选用
仿真计算机的底板采用Adlink公司的HPCI-14S12U，该底板拥有12个PCI插槽。CPU板采用NuPRO-841，该板支持Pentium 4处理器，最高3.06GHz。内存2GB，多功能打印机采用HP LaserJet 1020。
2）A/D卡的选择
A/D卡选用ADLINK公司的PCI-9118。此卡的主要参数如下：
a.通道数目16（选用2块）；b.采样的数据位数：16bit；c.采样速率330kS/s。
3）D/A卡的选择
D/A卡选用ADLINK公司的PCI-6216。此卡的主要参数如下：
a.通道数目：16路（选用2块）；b.输出的数据位数：16bit。
4）DIO计时卡的选择
选择ADLINK公司的PCI-9112，带有20MHz的晶振计时功能。通道数目：16DIO路（选用两块）。
5）直流电源的设计
按照系统要求，将所有的直流电源设计制作在一个箱体中，形成电源模块。
6）信号增益/衰减板的设计
为了保护产品和数据采集卡，对输入和输出信号进行合理的放大或衰减。增益的倍数在0.1～5。
3.2 测试系统的软件设计
测试系统选用Windows XP操作系统，软件的编程和运行环境采用microsoft公司的visual C++6.0，主要完成舵指令、舵偏角等信号的采集、弹体模型解算、发送指令给弹上机、数据保存、数据判读、生成报表等功能。
软件的解算方法采用二阶龙格库塔法。
测试程序应采用中文界面，具有良好的交互性；采样周期及算法应保证测试的实时性和稳定性。
系统软件设计有性能测试、故障诊断、回放系统，软件设计开发采用模块化设计思想和自顶向下的方法，界面友好、操作简单方便。其测试流程如图3所示。 为了提高测试效率，在实际测试中，系统将每个测试流程划分为若干个测试步骤。这样，一个复杂的测试过程就可以通过多个不同的测试步骤加载来完成，从而充分利用了测试设备的内存空间，大大提高了测试速率和效率。
本系统有弹上计算机与舵系统的模型，在界面中以打勾的方式可选，在半实物仿真中，操作人员可任意搭配弹上计算机与舵系统的模型，以及弹上计算机与舵系统的实物进行动态性能试验，以验证结果。
4 系统实现与验证
为了验证本系统的可行性与实用性，我们建立起了一个某型导弹动态自动驾驶仪测试实验的开发平台。自动驾驶仪动态测试系统整体是由控制组合、电源系统、计算机系统、操作台等组成，整个系统全部通过测试软件来进行计算机辅助测试，自动驾驶仪的动态测试系统主要用来测试自动驾驶仪的动态特性，主要由测试软件和“控制组合”以及“电源组合”来完成整个测试过程，测试系统如图4所示。
自动驾驶仪动态测试系统的软件界面如图5所示，测试的曲线和报表显示如图6所示，电源自检测试系统示意图如图7，要求测试的物理量的采样曲线完全准确地反映出某型导弹的实际性能，要求测试的一些性能参数以数字的形式进入报表，用于保存和打印。本测试系统采用自动判读方式，解放人工，降低人为误差，提高了效率。
5 关键技术
1）Windows XP下實现实时仿真
由于此系统的仿真时间间隔要求（≤1ms），无法使用PC机内部的定时器。故利用计时卡上的定时器，计时卡上可提供给用户自由使用的定时器，编程能够达到微秒级的系统定时。这样可满足此仿真测试系统的要求。这个关键技术已经在某型自动驾驶仪动态测试系统中使用过，并且工作状态很稳定。
2）各通道弹体数学模型及敏感元件模型的解算方法
为了满足精度的要求，所有模型的状态方程的解算方法均采用二阶龙格库塔法。
3）A/D输入信号和D/A输出信号的增益/衰减板
采用成熟的模块化信号调理技术设计的电路完全可以满足系统提出的要求。
6 总结
本文设计的自动驾驶仪测试系统完成了对某型导弹的性能测试，结果表明，测试的结果能准确反应导弹的实际性能，其余状态参数指标均在要求的范围，且多次测量稳定，由于保密原因在此不做结果具体分析。此测试系统满足测试系统的性能和设计要求，充分说明了该自动驾驶仪的设计突出简单而有效的结果。
关键词：动态测试系统；自动驾驶仪；数据采集
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.016
引言
现代战场环境日益复杂，要求机动性越来越高，目标打击越来越准。导弹是现代化战争必不可少的武器，研究导弹的控制技术，提高导弹的机动作战性能，显得尤为重要。作为导弹的主要控制测试设备的自动驾驶仪的完善和优良程度具有重要作用。随着某型号导弹的改进和大量使用，要求被测信号通道数增多、波形复杂、判读精度高，传统的测试台操作复杂、误差大、成本高，有必要针对某型号导弹研制一套智能化水平高的、能够测试动态性能（或称半实物仿真试验）的导弹自动驾驶仪。
1 自动驾驶仪动态测试系统的总体设计
自动驾驶仪动态性能测试（或称半实物仿真试验）是将弹体模型、敏感元件用计算机软件编排，与弹上计算机（即数字控制器）和舵机舱（即伺服执行机构）实物构成闭合回路，模拟弹体运动和自动驾驶仪稳定控制过程，以检验驾驶仪动态性能。
导弹自动驾驶仪动态测试系统由硬件和软件两个部分组成。其主要作用是对导弹驾驶仪的物理参数进行采集、处理和记录，以数字和图像等方式显示测试和处理结果，并具有一定的故障诊断能力。
根据测试需求和“功能够用”原则，首先确定测试需求和进行需求分析，确定总体方案。在此基础上，选择采集设备和接口设备，组建硬件系统并合理配置系统资源，对测试设备与被测件之间的接口进行适配调试；待硬件系统搭建完成并调试正常时，进行软件编程及调试；最后对整个测试系统进行测试。系统设计流程如图1所示。
整个系统采用台式结构，基本分为三个模块部分：工控机、控制组合和电源系统。工控机模块含有A/D、D/A、DIO以及软件；控制组合模块包括隔离板、一级加电保护模块、二级加电保护模块、增益模块、面板上各种接插件转接组合、交/直流电压/电流测量模块等：电源模块是供给产品的直流电源。本系统的原理组成如图2。
2 导弹的数学模型
为了能将系统的数学模型在计算机上进行系统仿真，必须先将系统的数学模型转换为计算机上进行计算求解的仿真模型。随着控制系统仿真理论的日趋完善，转换的方法也日趋繁多，在工程应用中，弹体模型的转换方法常用的是四阶龙格一库塔法。下面具体介绍转换的方法及应用。
2.1 方法说明
四阶龙格一库塔的计算公式为：
（2-1）
式（2-1）中出现的变量，除h和t外全是向量，在编程时要特别注意。
对于线性微分方程，状态方程为：
即系统的数学模型可以用一阶线性微分方程组描述为：
（2-2）
式（2-2）也可用数值积分法来计算，即对于第一式，可将a11x1+a12x2+…a1nxn+b1u看作f（t1，x1，x2，…，xn，u）。當已知x1，x2，…，xn的初值及u（t）后，就可求出x1，x2，…，xn随时间变化的整个过程。
3 动态测试系统的设计
3.1 硬件实现
测试系统硬件主要包括两部分，一个是实时测试数据采集工控机，另一个是电源采集模块。
1）仿真计算机的选用
仿真计算机的底板采用Adlink公司的HPCI-14S12U，该底板拥有12个PCI插槽。CPU板采用NuPRO-841，该板支持Pentium 4处理器，最高3.06GHz。内存2GB，多功能打印机采用HP LaserJet 1020。
2）A/D卡的选择
A/D卡选用ADLINK公司的PCI-9118。此卡的主要参数如下：
a.通道数目16（选用2块）；b.采样的数据位数：16bit；c.采样速率330kS/s。
3）D/A卡的选择
D/A卡选用ADLINK公司的PCI-6216。此卡的主要参数如下：
a.通道数目：16路（选用2块）；b.输出的数据位数：16bit。
4）DIO计时卡的选择
选择ADLINK公司的PCI-9112，带有20MHz的晶振计时功能。通道数目：16DIO路（选用两块）。
5）直流电源的设计
按照系统要求，将所有的直流电源设计制作在一个箱体中，形成电源模块。
6）信号增益/衰减板的设计
为了保护产品和数据采集卡，对输入和输出信号进行合理的放大或衰减。增益的倍数在0.1～5。
3.2 测试系统的软件设计
测试系统选用Windows XP操作系统，软件的编程和运行环境采用microsoft公司的visual C++6.0，主要完成舵指令、舵偏角等信号的采集、弹体模型解算、发送指令给弹上机、数据保存、数据判读、生成报表等功能。
软件的解算方法采用二阶龙格库塔法。
测试程序应采用中文界面，具有良好的交互性；采样周期及算法应保证测试的实时性和稳定性。
系统软件设计有性能测试、故障诊断、回放系统，软件设计开发采用模块化设计思想和自顶向下的方法，界面友好、操作简单方便。其测试流程如图3所示。 为了提高测试效率，在实际测试中，系统将每个测试流程划分为若干个测试步骤。这样，一个复杂的测试过程就可以通过多个不同的测试步骤加载来完成，从而充分利用了测试设备的内存空间，大大提高了测试速率和效率。
本系统有弹上计算机与舵系统的模型，在界面中以打勾的方式可选，在半实物仿真中，操作人员可任意搭配弹上计算机与舵系统的模型，以及弹上计算机与舵系统的实物进行动态性能试验，以验证结果。
4 系统实现与验证
为了验证本系统的可行性与实用性，我们建立起了一个某型导弹动态自动驾驶仪测试实验的开发平台。自动驾驶仪动态测试系统整体是由控制组合、电源系统、计算机系统、操作台等组成，整个系统全部通过测试软件来进行计算机辅助测试，自动驾驶仪的动态测试系统主要用来测试自动驾驶仪的动态特性，主要由测试软件和“控制组合”以及“电源组合”来完成整个测试过程，测试系统如图4所示。
自动驾驶仪动态测试系统的软件界面如图5所示，测试的曲线和报表显示如图6所示，电源自检测试系统示意图如图7，要求测试的物理量的采样曲线完全准确地反映出某型导弹的实际性能，要求测试的一些性能参数以数字的形式进入报表，用于保存和打印。本测试系统采用自动判读方式，解放人工，降低人为误差，提高了效率。
5 关键技术
1）Windows XP下實现实时仿真
由于此系统的仿真时间间隔要求（≤1ms），无法使用PC机内部的定时器。故利用计时卡上的定时器，计时卡上可提供给用户自由使用的定时器，编程能够达到微秒级的系统定时。这样可满足此仿真测试系统的要求。这个关键技术已经在某型自动驾驶仪动态测试系统中使用过，并且工作状态很稳定。
2）各通道弹体数学模型及敏感元件模型的解算方法
为了满足精度的要求，所有模型的状态方程的解算方法均采用二阶龙格库塔法。
3）A/D输入信号和D/A输出信号的增益/衰减板
采用成熟的模块化信号调理技术设计的电路完全可以满足系统提出的要求。
6 总结
本文设计的自动驾驶仪测试系统完成了对某型导弹的性能测试，结果表明，测试的结果能准确反应导弹的实际性能，其余状态参数指标均在要求的范围，且多次测量稳定，由于保密原因在此不做结果具体分析。此测试系统满足测试系统的性能和设计要求，充分说明了该自动驾驶仪的设计突出简单而有效的结果。