馬曉軍，袁東，臧克茂，李長(zhǎng)兵，閆之峰

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京100072)

0 引言

炮控系統(tǒng)是坦克火力控制主線末端的執(zhí)行系統(tǒng)，承擔(dān)著驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)定坦克火炮/炮塔的作用，是充分發(fā)揮火控系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)“先敵開火、首發(fā)命中”的重要保證。隨著戰(zhàn)場(chǎng)需求的不斷變化，坦克機(jī)動(dòng)性能大幅提高，火炮口徑不斷增大，炮塔重量也隨之不斷增加，且需要在高機(jī)動(dòng)復(fù)雜條件下對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo)實(shí)施快速精確打擊，這對(duì)坦克炮控系統(tǒng)的戰(zhàn)技性能、可靠性和信息化水平等提出了更高的要求和新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

為適應(yīng)武器裝備的發(fā)展要求，20世紀(jì)90年代以來(lái)，各種高新技術(shù)不斷應(yīng)用于炮控系統(tǒng)，使其結(jié)構(gòu)模式與控制方式發(fā)生了根本性的變化，呈現(xiàn)出全電化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)，即發(fā)展為數(shù)字全電式坦克炮控系統(tǒng)。全電式炮控系統(tǒng)是指水平向和高低向分系統(tǒng)都采用電機(jī)通過(guò)動(dòng)力傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)炮塔和火炮的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式［1］。較之傳統(tǒng)的電液式/全液式炮控系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、效率高等特點(diǎn)，且不存在“二次效應(yīng)”的危害，因此成為世界各國(guó)努力發(fā)展的方向，如法國(guó)的“勒克萊爾”坦克、英國(guó)的“挑戰(zhàn)者”系列坦克、德國(guó)的“豹”2A5/A6 坦克、以色列的“梅卡瓦”4坦克等均已安裝了全電式炮控系統(tǒng)［2－3］。

圖1為全電式炮控系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)。按照功能，可將炮控系統(tǒng)劃分為動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)2 部分。動(dòng)力系統(tǒng)主要由供電裝置、功率放大裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力傳動(dòng)裝置等構(gòu)成;控制系統(tǒng)主要由炮控系統(tǒng)控制箱和驅(qū)動(dòng)控制箱(有的炮控系統(tǒng)2 者合在一起)，輔以相應(yīng)的操縱裝置(操縱臺(tái))和信號(hào)檢測(cè)裝置(陀螺儀、測(cè)速電機(jī)和LEM 模塊等)構(gòu)成，為了提高系統(tǒng)的性能，較新型的炮控系統(tǒng)還增加了前饋裝置，構(gòu)成復(fù)合控制結(jié)構(gòu)。

圖1 全電式炮控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of all－electrical tank gun control system

按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分，以下從動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)2 個(gè)方面論述近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在炮控系統(tǒng)全電化及其數(shù)字控制方面的研究進(jìn)展，探討未來(lái)數(shù)字全電式炮控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)及其技術(shù)途徑。

1 動(dòng)力系統(tǒng)研究

1.1 電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置

為了實(shí)現(xiàn)炮控系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)以最大速度轉(zhuǎn)向目標(biāo)，且在接近目標(biāo)時(shí)迅速停下來(lái)，然后以較低的速度精確跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，要求電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置具有優(yōu)良的調(diào)速性能，如調(diào)速范圍寬、起/制動(dòng)時(shí)間短、超低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量小等。

圖2 永磁同步電機(jī)的SVPWM 控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 SVPWM control structure of permanent magnetic synchronous motor

文獻(xiàn)［4］采用“永磁同步電機(jī)+逆變器+SVPWM 控制”結(jié)構(gòu)模式，將交流調(diào)速技術(shù)用于全電炮控系統(tǒng)，研制出我國(guó)第一套交流全電式坦克炮控系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)直流全電炮控系統(tǒng)由于存在電刷和機(jī)械式換向裝置，導(dǎo)致的功率密度受限、維護(hù)保養(yǎng)煩瑣，且調(diào)速范圍難以提高等問(wèn)題，系統(tǒng)最低瞄準(zhǔn)速度達(dá)到0.021°/s，且質(zhì)量和體積大幅減小，系統(tǒng)效率提高了35%.為了改善炮控系統(tǒng)的低速性能，文獻(xiàn)［5］在分析逆變器死區(qū)時(shí)間作用原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于DSP 的SVPWM 死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償方法，有效抑制了低速運(yùn)行時(shí)死區(qū)時(shí)間引起的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善了系統(tǒng)低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性;文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了永磁同步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈全維狀態(tài)觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在低速區(qū)對(duì)定子磁鏈的準(zhǔn)確觀測(cè)，從而提高系統(tǒng)低速運(yùn)動(dòng)性能。文獻(xiàn)［7］針對(duì)永磁同步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中參數(shù)變化造成的控制性能下降，在圖2所示的矢量控制結(jié)構(gòu)中，利用d/q 軸的電壓、電流及其偏差，借助Popov 超穩(wěn)定理論建立了對(duì)電阻、電感和永磁磁鏈等參數(shù)的辨識(shí)模型并推導(dǎo)出待辨識(shí)參數(shù)的自適應(yīng)律，保證了特定條件下系統(tǒng)的穩(wěn)定性和參數(shù)的收斂性。

1.2 高壓供電及其功率變換技術(shù)

隨著坦克火炮打擊距離的增加和炮塔防護(hù)能力的提高，火炮口徑增大，身管增長(zhǎng)，炮塔重量增加，使炮控系統(tǒng)的需求功率隨之增大。此外，為了實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)復(fù)雜條件下對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo)的快速精確打擊，要求火炮/炮塔具有高動(dòng)態(tài)、大扭矩輸出響應(yīng)等動(dòng)態(tài)特性，這也致使炮控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)功率的大幅增加，如“勒克萊爾”坦克的驅(qū)動(dòng)功率達(dá)到了30 kW 以上。

為克服系統(tǒng)功率大幅增加給逆變器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶來(lái)的設(shè)計(jì)制造難度，文獻(xiàn)［8］提出了炮控系統(tǒng)高壓供電方案，并設(shè)計(jì)了基于推挽變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的升壓變換裝置，將車輛28 V 低壓電源轉(zhuǎn)換為270 V 高壓直流電源供系統(tǒng)使用，其主電路拓?fù)淙鐖D3所示。裝置采用特殊的變壓器繞制工藝和拓?fù)潆娐凡季?，解決了變換器存在的偏磁和主功率管關(guān)斷尖峰大等問(wèn)題，具有穩(wěn)壓精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)。

圖3 升壓裝置推挽變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Boost inverter device adopted push－pull topology

為適應(yīng)系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)、大扭矩輸出響應(yīng)等要求，新型坦克炮控系統(tǒng)在升壓裝置輸出直流母線側(cè)增加了超級(jí)電容器(如圖4所示)，用于提供較大的瞬時(shí)功率，提高系統(tǒng)的加速性能;同時(shí)超級(jí)電容器還作為饋能裝置，吸收系統(tǒng)制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的電能，抑制母線泵升電壓，從而進(jìn)一步改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性［3］。

圖4 帶超級(jí)電容器的系統(tǒng)供電體系Fig.4 Power supply structure included ultracapacitor

隨著裝甲車輛供電體制的變化，采用雙穩(wěn)壓發(fā)電系統(tǒng)為炮控系統(tǒng)提供高壓直流電源的研究也逐漸深入。目前裝甲車輛中研究較多的是雙繞組永磁同步機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，但由于永磁機(jī)不能通過(guò)調(diào)節(jié)激磁電流實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制，因此低壓28 V 和高壓270 V 雙路輸出都需要額外增加DC/DC 變換器，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)［9－10］研究了一種采用PWM－VSI 逆變器控制的獨(dú)立定子雙繞組(分別為功率繞組和控制繞組)鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)，文獻(xiàn)［11］提出將其控制繞組改進(jìn)為高壓功率繞組，并采用瞬時(shí)無(wú)功理論對(duì)兩路穩(wěn)壓策略進(jìn)行解耦控制，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)高低壓(270 V/28 V)雙路穩(wěn)壓輸出，且不再需要DC/DC 變換器，系統(tǒng)體積和效率均得到了明顯的改善。

1.3 動(dòng)力傳動(dòng)裝置研究

全電炮控系統(tǒng)水平向和高低向分系統(tǒng)均采用電力傳動(dòng)方式。為了減小體積和質(zhì)量，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率密度，電機(jī)轉(zhuǎn)速一般設(shè)計(jì)為每分鐘幾千轉(zhuǎn)，因此需要采用由多級(jí)齒輪組成的動(dòng)力傳動(dòng)裝置(如水平向采用方向機(jī)，高低向采用齒弧等)將其速度降到驅(qū)動(dòng)火炮/炮塔運(yùn)動(dòng)所需要的速度。由于齒輪嚙合必須滿足一定的最小間距才能保證不發(fā)生滯塞，因此這種傳動(dòng)方式不可避免的存在齒圈間隙［12－13］，其模型如圖5所示。

圖5 齒隙模型Fig.5 Model of backlash

文獻(xiàn)［14］對(duì)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的間隙、剛性等非線性特性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［15］建立了包含齒隙等非線性因素的炮控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并開展系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能分析，研究結(jié)果表明，齒隙的存在會(huì)對(duì)炮控系統(tǒng)產(chǎn)生如下2 個(gè)方面的影響:1)由于齒隙期間相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的驅(qū)動(dòng)延時(shí);2)相對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)由于速度差異造成的沖擊振蕩。這些影響會(huì)造成炮控系統(tǒng)輸出誤差，甚至?xí)沟孟到y(tǒng)因極限環(huán)振蕩或沖擊而降低性能或失穩(wěn)［13］。因此如何提高系統(tǒng)的傳動(dòng)精度，減小齒隙影響成為近年來(lái)動(dòng)力傳動(dòng)裝置研究的一個(gè)重要課題。

在水平向傳動(dòng)裝置研究方面，文獻(xiàn)［16］在分析方向機(jī)中各傳動(dòng)級(jí)間隙對(duì)系統(tǒng)整體傳動(dòng)性能的影響的此基礎(chǔ)上，提出了“同力面混合少齒差行星傳動(dòng)”方式，使多齒同時(shí)嚙合，相互補(bǔ)償，使方向機(jī)整體間隙減小了1/2，有效地提高了方向機(jī)的傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率。文獻(xiàn)［17］提出采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，即通過(guò)2 個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)同一從動(dòng)軸的施加大小相等，方向相反的偏置力矩抑制齒隙的影響。這種驅(qū)動(dòng)模式克服了傳統(tǒng)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)齒隙期間存在的不可控性，但系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際參與的驅(qū)動(dòng)軸數(shù)目往往呈現(xiàn)出波動(dòng)狀態(tài)，致使其難以完全消除齒隙影響。針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)［18］應(yīng)用Backstepping 方法，設(shè)計(jì)了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制器，有效地抑制了齒隙影響，同時(shí)保證了系統(tǒng)的漸進(jìn)穩(wěn)定。

對(duì)于高低向動(dòng)力傳動(dòng)，早期的全電炮控系統(tǒng)采用齒弧作為傳動(dòng)裝置，如英國(guó)的“奇伏坦”、“挑戰(zhàn)者”1 和“挑戰(zhàn)者”2 坦克。這種傳動(dòng)方式的降速比小，空回誤差大，定位精度差，難以滿足系統(tǒng)高精度瞄準(zhǔn)與穩(wěn)定要求。

隨著螺旋傳動(dòng)制造技術(shù)的發(fā)展，德國(guó)“豹”2A5等坦克采用ESW 公司研制的滾珠絲杠作為高低向傳動(dòng)裝置提高傳動(dòng)精度。絲杠采用行星傳動(dòng)方式，安裝于火炮下方，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)行星絲杠螺母旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)火炮的瞄準(zhǔn)與穩(wěn)定［3］。文獻(xiàn)［4］將滾珠絲杠、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電磁制動(dòng)器等機(jī)構(gòu)巧妙的安裝結(jié)合在一起，構(gòu)成高低向電動(dòng)動(dòng)力缸，具有結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，傳動(dòng)精度高等特點(diǎn)，其裝配結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 永磁同步電機(jī)和絲杠副的裝配結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Assembly of PMSM and ball guide screw set

文獻(xiàn)［19］在滾珠絲杠副中滾珠的螺旋運(yùn)動(dòng)與受力分析的基礎(chǔ)上，探討了影響絲杠空回程角的主要因素，并進(jìn)一步研究了減小空回程角，提高滾珠絲杠傳動(dòng)精度的幾種措施。

除了傳動(dòng)精度，強(qiáng)度和“回傳”能力設(shè)計(jì)也是傳動(dòng)裝置研究要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。由于坦克火炮軸線與火炮旋轉(zhuǎn)耳軸中心線往往不重合，火炮射擊過(guò)程中存在明顯的翻轉(zhuǎn)力矩，會(huì)對(duì)高低向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形成強(qiáng)烈的短時(shí)沖擊［1，5］，不論是高低齒弧傳動(dòng)裝置，還是滾珠絲杠傳動(dòng)裝置，研制過(guò)程中均有被這種沖擊力損壞的實(shí)例。為避免沖擊對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損害，一方面要提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本身強(qiáng)度，如選用滾柱絲杠替代滾珠絲杠，增大齒輪－齒弧接觸面和強(qiáng)度;另一方面要使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有良好的“回傳”能力，使其能夠通過(guò)摩擦制動(dòng)器的“打滑”吸收沖擊能量，或者在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)緩沖環(huán)節(jié)，減小沖擊力。

2 控制系統(tǒng)研究

2.1 信息檢測(cè)與狀態(tài)估計(jì)

狀態(tài)信息檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)，因此，信息檢測(cè)與處理是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的首要問(wèn)題。為了提高檢測(cè)的精度和實(shí)時(shí)性，各種新型檢測(cè)裝置不斷應(yīng)用于炮控系統(tǒng)，以陀螺儀為例，早期的坦克炮控系統(tǒng)中應(yīng)用的是框架陀螺，其檢測(cè)精度較低。隨著科技的不斷發(fā)展，液浮陀螺逐漸應(yīng)用于炮控系統(tǒng)，基本原理是將陀螺懸浮于浮液內(nèi)，利用所排開的液體的浮力協(xié)助支承陀螺框架，減小框架軸承的負(fù)荷和摩擦力矩，從而獲得較高的檢測(cè)精度。文獻(xiàn)［4］中應(yīng)用撓性陀螺儀，采用撓性支承技術(shù)替代液浮技術(shù)，從而取消了液浮陀螺中的浮液加溫裝置，具有體積小、耗電低、工作準(zhǔn)備時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

除了提高檢測(cè)裝置本身的性能外，采用各種先進(jìn)算法對(duì)測(cè)量噪聲進(jìn)行濾波，并利用測(cè)量信息估計(jì)系統(tǒng)中其他難以測(cè)量或不可測(cè)狀態(tài)信息也是控制系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。文獻(xiàn)［20］針對(duì)永磁同步電機(jī)中安裝速度傳感器會(huì)增加轉(zhuǎn)軸慣量，影響系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能的問(wèn)題，提出了采用高頻注入速度辨識(shí)方法實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器調(diào)速，即通過(guò)給電機(jī)注入高頻電壓，并檢測(cè)相應(yīng)的電流值來(lái)估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，該方法適用的速度范圍較寬，且在低速時(shí)也可得到較好的估算結(jié)果。文獻(xiàn)［21］設(shè)計(jì)了基于串聯(lián)ESO 的炮控系統(tǒng)非線性狀態(tài)估計(jì)器，利用陀螺儀等少數(shù)測(cè)量信息實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各狀態(tài)變量的實(shí)時(shí)估計(jì)，并采用條件限制動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，有效地提高了狀態(tài)變量的估計(jì)精度。

2.2 系統(tǒng)控制策略與控制結(jié)構(gòu)研究

炮控系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)本質(zhì)非線性系統(tǒng)。如前所述，系統(tǒng)中的動(dòng)力傳動(dòng)裝置存在齒圈間隙、彈性形變等，炮塔/火炮和座圈/耳軸之間存在摩擦力矩，火炮本身還有參數(shù)漂移等非線性因素，此外，在車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中火炮還會(huì)受到車體振動(dòng)的影響［22］。傳統(tǒng)的PID 控制方法難以補(bǔ)償各種非線性因素的影響，因此只能以犧牲響應(yīng)頻帶，降低開環(huán)放大倍數(shù)獲取系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而造成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，低速穩(wěn)定性能差等問(wèn)題，已成為了制約系統(tǒng)性能進(jìn)一步提升的瓶頸之一。

隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和裝備研究的不斷深入，近年來(lái)，魯棒控制、自抗擾控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制等一些現(xiàn)代控制方法不斷應(yīng)用于炮控系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償控制中，為炮控系統(tǒng)的性能提高進(jìn)行了有益的理論探索。如文獻(xiàn)［23］從靜態(tài)解耦和動(dòng)態(tài)解耦2 個(gè)方面研究了交流全電炮控系統(tǒng)中的多種魯棒控制方法，使炮控系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性，并表現(xiàn)出良好的跟蹤性能;文獻(xiàn)［24］在分析炮控系統(tǒng)的各種非線性特性及其影響的基礎(chǔ)上，借助“系統(tǒng)總擾動(dòng)”的思想，引入自抗擾控制技術(shù)，采用“跨階控制”方案，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償控制;文獻(xiàn)［25］采用模型預(yù)測(cè)控制抑制炮控系統(tǒng)擾動(dòng)影響，獲得了良好的控制性能;文獻(xiàn)［26－27］根據(jù)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和Popov 超穩(wěn)定理論，提出了一種基于ESO 濾波的模型參考自適應(yīng)控制方法，增強(qiáng)炮控系統(tǒng)的快速性，并克服了低速“爬行”問(wèn)題。

在控制結(jié)構(gòu)上，早期的炮控系統(tǒng)一般采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定精度和反應(yīng)速度，較新型炮控系統(tǒng)采用復(fù)合控制結(jié)構(gòu)，即在傳統(tǒng)閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加了采用按擾動(dòng)控制的前饋通道，擾動(dòng)信號(hào)由車體陀螺和線加速度計(jì)測(cè)量。但在實(shí)際系統(tǒng)中，由于各種不可測(cè)擾動(dòng)的影響，復(fù)合控制難以做到完全補(bǔ)償。

文獻(xiàn)［28］提出“雙模雙環(huán)”控制結(jié)構(gòu)(如圖7所示)，通過(guò)邏輯切換的方式，實(shí)現(xiàn)炮控系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制。瞄準(zhǔn)工作模式時(shí)由電流環(huán)和速度環(huán)組成雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng);穩(wěn)定工作模式時(shí)由電流環(huán)和位置環(huán)組成雙閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。“雙模雙環(huán)”控制結(jié)構(gòu)克服了三環(huán)系統(tǒng)中位置環(huán)響應(yīng)速度慢的固有缺點(diǎn)，試驗(yàn)證明具有很好的瞄準(zhǔn)和穩(wěn)定性能。

圖7 “雙模雙環(huán)”炮控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of double－mode and double－loopgun control system

2.3 數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的炮控系統(tǒng)采用基于分立元件的模擬/繼電控制方式，存在器件離散性大、溫漂嚴(yán)重、信息傳輸困難等問(wèn)題。此外，模擬控制方式難以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制算法，2.1 節(jié)和2.2 節(jié)中的各種狀態(tài)估計(jì)算法和現(xiàn)代控制方法的工程應(yīng)用也依賴于炮控系統(tǒng)數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)，因此，數(shù)字控制是提高炮控系統(tǒng)性能和信息化程度的重要基礎(chǔ)，也是控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

某新型數(shù)字全電式炮控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，系統(tǒng)在將各部件數(shù)字化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建高速總線網(wǎng)絡(luò)，完成部件之間的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制，克服了傳統(tǒng)炮控系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間由于信息傳遞關(guān)系復(fù)雜，造成線纜繁雜，易受電磁干擾等問(wèn)題。此外，該系統(tǒng)還通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)與電子綜合系統(tǒng)的信息交互與信息共享，從而進(jìn)一步提高火炮的反應(yīng)速度、打擊精度和信息化程度［1－5］。

圖8 數(shù)字式炮控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of digital tank gun control system

但整體來(lái)看，目前炮控系統(tǒng)數(shù)字化控制的研究還主要集中在硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面［29］，數(shù)字控制系統(tǒng)中的許多理論研究和工程實(shí)踐問(wèn)題尚有待進(jìn)一步深入。如控制算法與數(shù)字控制器及其外圍部件的匹配性設(shè)計(jì);現(xiàn)代控制策略在數(shù)字控制器中的一體化集成開發(fā)研究;控制系統(tǒng)的可測(cè)試性設(shè)計(jì)等。此外，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的總線結(jié)構(gòu)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，總線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、可靠性和冗余設(shè)計(jì)等研究也有待于進(jìn)一步深入。

3 未來(lái)炮控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)與技術(shù)途徑

目前，炮控系統(tǒng)的研究背景一般是:敵我坦克的運(yùn)動(dòng)速度都在20～25 km/h 以內(nèi)，且均為勻速運(yùn)動(dòng)。隨著機(jī)動(dòng)性能要求的提高和戰(zhàn)斗激烈程度的增加，未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上敵我雙方或一方的運(yùn)動(dòng)速度可能大于25 km/h，并且可能是非勻速運(yùn)動(dòng)，稱之為高機(jī)動(dòng)條件［30］。為了提高高機(jī)動(dòng)條件下炮控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)快速隨動(dòng)和穩(wěn)定，提高命中率，需要進(jìn)一步改善動(dòng)力系統(tǒng)的性能(如驅(qū)動(dòng)功率、動(dòng)力傳動(dòng)精度、功率變換效率等)，同時(shí)開展炮控系統(tǒng)控制策略與智能化技術(shù)研究，促進(jìn)炮控系統(tǒng)性能和智能化程度的進(jìn)一步提升。

3.1 采用新型電機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度無(wú)間隙傳動(dòng)

在目前的炮控系統(tǒng)中，動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在著齒圈間隙等非線性因素，制約了炮控系統(tǒng)的性能提升。因此，需要研究高精度傳動(dòng)或無(wú)間隙傳動(dòng)的新型炮控系統(tǒng)，消除由機(jī)械傳動(dòng)裝置帶來(lái)的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。為此，可采用特種結(jié)構(gòu)的新型電機(jī)，如水平向分系統(tǒng)采用大座圈多極對(duì)數(shù)空心永磁同步電機(jī)(如圖9所示)，其定子與車體固定，轉(zhuǎn)子與炮塔固定，高低向采用直線電機(jī)(如圖10 所示)直接驅(qū)動(dòng)炮塔/火炮運(yùn)動(dòng)，從而取消以往炮控系統(tǒng)中的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可有效的抑制齒圈間隙的影響，使系統(tǒng)的性能，特別是低速運(yùn)動(dòng)性能有望得到大幅度提高。這種高精度無(wú)間隙傳動(dòng)方式還可推廣應(yīng)用到遙控武器站等系統(tǒng)中。

圖9 座圈電機(jī)外形圖Fig.9 Circle motor shape

圖10 直線電機(jī)外形圖Fig.10 Linear motor shape

3.2 采用軟開關(guān)技術(shù)提高功率變換效率和電磁兼容性

隨著車輛機(jī)動(dòng)性能的提高和火炮口徑與長(zhǎng)度的增加，炮控系統(tǒng)處理、變換和控制的功率也越來(lái)越大，特別是在全電炮控系統(tǒng)中包含了多種大功率變換裝置，如升壓變換裝置、逆變器等，這些裝置普遍存在著功率變換效率低等問(wèn)題，且對(duì)車內(nèi)其它電氣電子裝置構(gòu)成了潛在的電磁干擾威脅，影響了其功能的正常發(fā)揮。

采用“軟開關(guān)”技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率變換和控制，可以提高系統(tǒng)效率，并消除大功率變換過(guò)程中的電磁干擾。圖11 為采用“軟開關(guān)”技術(shù)的升壓裝置推挽正激電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)湓趫D3中推挽變壓器副邊增加輔助諧振電路，實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管零電流關(guān)斷。同時(shí)，該拓?fù)溥€在原邊繞組的同名端之間增加鉗位電容，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管關(guān)斷尖峰電壓的無(wú)損吸收，具有抑制推挽變壓器偏磁、減小輸入電流波動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

此外，針對(duì)圖2中的SVPWM 驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，采用最大零矢量脈寬調(diào)制(MPWZV－SVPWM)等技術(shù)，也可有效提高系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效率和電磁兼容性。

圖11 基于“軟開關(guān)”的推挽變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.11 Topology of push－pull forward device based on soft－switching technique

3.3 炮控系統(tǒng)控制策略與智能化技術(shù)研究

隨著未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)需求的不斷變化，坦克炮控系統(tǒng)需要具有在各種復(fù)雜路面、高機(jī)動(dòng)條件下對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo)實(shí)施快速打擊的能力。這就對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定精度、反應(yīng)速度和抗擾能力等指標(biāo)提出了更高的要求。針對(duì)炮控系統(tǒng)強(qiáng)非線性、快時(shí)變性和高性能要求等特點(diǎn)，應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的控制理論、方法和手段進(jìn)一步開展炮控系統(tǒng)控制策略與智能化技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)炮控系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試、辨識(shí)、調(diào)整與智能化控制，提高炮控系統(tǒng)性能和智能化程度。其研究?jī)?nèi)容包括:

1)炮控系統(tǒng)非線性建模與擾動(dòng)譜分析。分析路面振動(dòng)干擾力矩譜，建立包含路面擾動(dòng)和系統(tǒng)內(nèi)部各種非線性因素的炮控系統(tǒng)模型，分析系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各部件和環(huán)節(jié)因環(huán)境變化、磨損和非確定因素作用造成系統(tǒng)參數(shù)變化。分析和確定系統(tǒng)性能指標(biāo)，建立模型控制結(jié)構(gòu)和參數(shù)與性能指標(biāo)之間的關(guān)系，為控制策略研究提供理論依據(jù)。

2)控制結(jié)構(gòu)和控制算法研究。綜合運(yùn)用狀態(tài)估計(jì)、參數(shù)辨識(shí)等理論和方法手段，實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)的狀態(tài)變量和參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上開展非線性控制方法研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種非線性因素影響的補(bǔ)償與根據(jù)環(huán)境變化的控制結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整。

3)炮控系統(tǒng)智能化技術(shù)研究。開展智能化炮控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)模式、模型辨識(shí)、信號(hào)處理、控制與優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)手段等方面的研究，進(jìn)一步提高炮控系統(tǒng)的性能，推進(jìn)裝備的智能化進(jìn)程。

3.4 炮控系統(tǒng)實(shí)體建模、聯(lián)合仿真與半實(shí)物仿真技術(shù)研究

全電式炮控系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)—電混合系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的純數(shù)值仿真難以精確的反映系統(tǒng)工作過(guò)程中內(nèi)部各環(huán)節(jié)的運(yùn)行情況及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響，制約了炮控系統(tǒng)研制前期的分析論證(特別是性能指標(biāo)分解)、動(dòng)力傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)和系統(tǒng)非線性控制策略的研究。

為了更精確、有效的反映炮控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，可采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn(Recursive Dynamic)對(duì)炮控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模，建立車體、炮塔/火炮和傳動(dòng)裝置(如方向機(jī)、絲杠等)的三維實(shí)體模型，并與MATLAB/Simulink 協(xié)同仿真，精確、形象的反映炮控系統(tǒng)的工作過(guò)程和性能指標(biāo)。同時(shí)，針對(duì)影響炮控系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，如路面對(duì)火炮/炮塔的干擾力矩譜、齒圈間隙、摩擦力矩等開展系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真研究，為炮控系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與控制算法研究提供可靠的平臺(tái)。

此外，針對(duì)數(shù)值仿真實(shí)時(shí)性差，可信度較低等問(wèn)題，建立基于dSPACE 的系統(tǒng)硬件仿真平臺(tái)，并將其與RecurDyn 連接，構(gòu)建半實(shí)物聯(lián)合實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，開展炮控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和控制算法研究也是炮控系統(tǒng)研究的一個(gè)重要趨勢(shì)。

4 結(jié)論

綜上所述，本文從動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個(gè)方面綜述近年來(lái)國(guó)內(nèi)外數(shù)字全電式炮控系統(tǒng)的研究進(jìn)展，包括:電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置、高壓供電及其功率變換技術(shù)、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、信息檢測(cè)與狀態(tài)估計(jì)、數(shù)字化與控制策略等。在此基礎(chǔ)上，探討了未來(lái)坦克炮控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)以及幾種可行的技術(shù)途徑，為新型炮控系統(tǒng)論證分析、研制設(shè)計(jì)以及現(xiàn)炮控系統(tǒng)改造升級(jí)等研究提供理論借鑒和技術(shù)參考。

在工程實(shí)踐中，上述各部分研究是相互關(guān)聯(lián)和影響的，因此在研究過(guò)程中，還需要加強(qiáng)系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，使各種技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展，從而有效的提升炮控系統(tǒng)的整體性能。

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