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(裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京 100072)

基于LabVIEW與Multisim的火控系統(tǒng)半實(shí)物聯(lián)合仿真方法

齊曉冰，朱斌，李佳亮

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京100072)

針對當(dāng)前裝甲裝備火控系統(tǒng)電路組成與功能特點(diǎn)，對火控系統(tǒng)維修保養(yǎng)過程中的故障診斷方法與測試需求進(jìn)行了研究，提出了一種火控系統(tǒng)半實(shí)物聯(lián)合仿真方法，介紹了該仿真建模方法的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)方法；該方法可充分發(fā)揮LabVIEW和Multisim軟件的優(yōu)勢，通過半實(shí)物聯(lián)合仿真的方法，以仿真模型代替部分或者全部火控系統(tǒng)部組件，能夠很好地實(shí)現(xiàn)火控系統(tǒng)不同級別的電路功能模擬、故障復(fù)現(xiàn)，快速完成故障診斷分析，解決了當(dāng)前裝甲裝備火控系統(tǒng)維修診斷設(shè)備通用性差、規(guī)范化程度低、開放性差，難以真實(shí)的模擬系統(tǒng)級、部件級功能、故障注入和故障檢測等問題，為裝甲裝備火控系統(tǒng)故障診斷與測試設(shè)備開發(fā)提供了有效平臺，為基層部隊(duì)開展維修訓(xùn)練和維護(hù)保障提供了有效途徑。

火控系統(tǒng)；電路；半實(shí)物；聯(lián)合仿真

0 引言

火控系統(tǒng)在陸戰(zhàn)裝甲裝備中占有極其重要的地位，對發(fā)揮火力優(yōu)勢、奪取戰(zhàn)爭勝利影響關(guān)鍵[1]；一旦故障，將嚴(yán)重影響裝備戰(zhàn)斗力。同時(shí)，由于其技術(shù)密集度高，操作流程較為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中較易出現(xiàn)故障[2]，故障后如何快速有效地判斷故障、排除故障，一直是困擾部隊(duì)的難題，也是各類故障診斷與測試設(shè)備研究的重點(diǎn)。目前，陸戰(zhàn)裝甲裝備在使用分隊(duì)或裝備現(xiàn)場實(shí)施故障診斷與測試時(shí)普遍存在測試信息不完備、故障耦合性強(qiáng)、測試約束多等缺陷，易造成故障隔離困難、虛警率高等問題[3]；而目前配備的大多數(shù)火控系統(tǒng)故障診斷與測試設(shè)備在開發(fā)過程中缺乏故障模擬與故障注入功能，難以全面真實(shí)地模擬裝備故障，使得設(shè)備的故障診斷與測試功能缺乏針對性，無法真正解決部隊(duì)基層的故障判定與排除難題，不利于部隊(duì)維修保障能力的形成和提高。針對上述問題，本文提出了一種基于LabVIEW和Multisim的火控系統(tǒng)半實(shí)物聯(lián)合仿真方法及其實(shí)現(xiàn)過程，實(shí)現(xiàn)陸戰(zhàn)裝甲裝備火控系統(tǒng)電路功能仿真、故障模擬、故障注入以及故障診斷與測試驗(yàn)證，用于滿足裝甲裝備火控系統(tǒng)故障診斷與測試設(shè)備開發(fā)過程中的故障生成與性能驗(yàn)證。

1 總體設(shè)計(jì)方案

LabVIEW是由美國國家儀器公司研制開發(fā)的一種圖形化編程開發(fā)平臺，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析、儀器與設(shè)備控制等功能，普遍用于虛擬儀器的開發(fā)與設(shè)計(jì)，是測試設(shè)備與控制系統(tǒng)控制與交互界面開發(fā)的理想選擇[4]。Multisim是加拿大IIT公司推出的一種給予SPICE元件模型的電子電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，既可接受電路原理圖形式的圖形輸入，又可利用電路硬件描述語言輸入，具有強(qiáng)大的建模仿真功能與計(jì)算分析能力[5]，使用廣泛。Multisim 12.0以上版本更是提供了一個(gè)與LabVIEW實(shí)時(shí)交互的插件NI LabVIEW-Multisim Co-simulation Plugin for LabVIEW，很好地解決了Multisim與LabVIEW實(shí)時(shí)聯(lián)合仿真問題。本文正是基于上述基礎(chǔ)軟件構(gòu)建6-8。

本文提出的半實(shí)物聯(lián)合仿真方法總體方案為：以cPCI計(jì)算機(jī)、多功能采集板卡以及可編程邏輯陣列為基礎(chǔ)建立仿真系統(tǒng)硬件平臺，通過電纜實(shí)現(xiàn)與火控系統(tǒng)實(shí)物部件的信息交互；利用Multisim建立火控系統(tǒng)電路模型(包括正常電路模型與故障電路模型)與仿真測試激勵(lì)，利用LabVIEW建立測試控制、故障模擬、軟硬件調(diào)度等程序模塊，通過虛擬端口及聯(lián)合仿真插件實(shí)現(xiàn)與Multisim的數(shù)據(jù)交互。仿真時(shí)，以LabVIEW建立的軟件平臺為核心，根據(jù)仿真需要，適時(shí)調(diào)用Multisim仿真模型與/或?qū)嵨锊考?，并完成仿真信息與實(shí)物測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互與融合分析，實(shí)現(xiàn)火控系統(tǒng)各類故障的復(fù)現(xiàn)與診斷。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

構(gòu)建后的仿真系統(tǒng)依托Multisim模型和LabVIEW控制軟件，與可編程陣列以及實(shí)物部件相結(jié)合，可以全軟件、半實(shí)物或者全實(shí)物等不同形式實(shí)現(xiàn)火控系統(tǒng)電路功能仿真、故障復(fù)現(xiàn)以及故障診斷。

2 硬件平臺建立

仿真系統(tǒng)硬件平臺以cPCI計(jì)算機(jī)為核心，以多通道模擬量采集板卡、開關(guān)量采集板卡為主要資源，以開發(fā)的混合式智能型開關(guān)矩陣模塊、模擬負(fù)載模塊、信號切換控制模塊、信號檢測模塊為擴(kuò)展構(gòu)建。既作為Multisim和LabVIEW應(yīng)用軟件的運(yùn)行載體，又是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源動態(tài)分配與適時(shí)測試、全軟件與硬件在環(huán)功能仿真和故障模擬、軟硬件聯(lián)合半實(shí)物仿真與故障診斷的硬件基礎(chǔ)。其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 診斷系統(tǒng)硬件平臺功能圖

2.1 混合型智能開關(guān)矩陣模塊

采用集成模擬開關(guān)陣列電路(如圖3所示)和高電壓、大電流繼電器陣列構(gòu)成的混合式智能開關(guān)矩陣，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)與被測對象的動態(tài)連接、測量信號的選擇與切換控制，使硬件平臺具備硬件在環(huán)功能仿真和故障模擬功能，并提高了仿真系統(tǒng)硬件平臺的可配置性和靈活性。

2.2 模擬負(fù)載模塊

圖4 模擬負(fù)載電路

半實(shí)物仿真時(shí)需要為實(shí)物部件/組件提供模擬負(fù)載，用以判定火控系統(tǒng)相關(guān)部件中功率驅(qū)動信號的驅(qū)動能力。為此，需要在部件的功率輸出端增加相應(yīng)的模擬負(fù)載，以貼近實(shí)際工作環(huán)境，確定功率輸出的驅(qū)動能力，判定實(shí)物部件/組件的相關(guān)性能。圖4給出了火控計(jì)算機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的模擬負(fù)載。

2.3 信號切換模塊

采用硬件接口轉(zhuǎn)換完成被測對象連接關(guān)系的自動轉(zhuǎn)換，通過開關(guān)陣列內(nèi)部的轉(zhuǎn)換電路和電纜共同實(shí)現(xiàn)。開關(guān)陣列根據(jù)測試和故障狀況動態(tài)分配測試資源，配置被測對象的連接關(guān)系，而電纜則根據(jù)適配器插頭所分配的部件插頭的定義實(shí)現(xiàn)一一對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)工作在全實(shí)物模式時(shí)，可以通過開關(guān)陣列將測試資源配置為監(jiān)測模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線監(jiān)測。一旦有故障存在則可針對故障狀況配置為部件/組件測試模式。

2.4 信號檢測模塊

對信號加以調(diào)理、隔離、放大等，實(shí)現(xiàn)被測量和仿真系統(tǒng)的電氣匹配，包括：信號范圍調(diào)整、電流到電壓的轉(zhuǎn)換、功率負(fù)載的轉(zhuǎn)換、頻率電壓的轉(zhuǎn)換、超標(biāo)信號的隔離、傳感器信號的調(diào)整、輸出信號的功率放大、輸出信號的類型轉(zhuǎn)換等。

3 Multisim建模與仿真

3.1 火控系統(tǒng)電路功能建模

Multisim作為一種通用的電路仿真軟件，對裝甲裝備各類軍用控制系統(tǒng)電路所采用的元器件等缺乏充足的應(yīng)用支撐。然而，它提供了特殊應(yīng)用元件類型的建模封裝功能，可利用此功能預(yù)先構(gòu)建火控系統(tǒng)的專用元件庫、工具庫和常用單元電路庫。這樣不僅有利于火控系統(tǒng)仿真電路的建立，更有利于系統(tǒng)在相關(guān)武器系統(tǒng)電路的仿真中擴(kuò)展。在構(gòu)建了火控系統(tǒng)電路專用元件庫和專用工具庫的基礎(chǔ)上，即可在Multisim軟件的支持下，建立火控系統(tǒng)的仿真電路，進(jìn)行火控電路的原理仿真。圖5給出了應(yīng)用Multisim軟件實(shí)現(xiàn)的火控計(jì)算機(jī)CPU板仿真電路。通過本技術(shù)生成的火控系統(tǒng)仿真電路，可取代火控系統(tǒng)相應(yīng)的實(shí)物電路實(shí)現(xiàn)火控系統(tǒng)的軟件仿真。

圖5 計(jì)算機(jī)CPU板仿真電路

3.2 故障建模與故障注入

3.2.1 故障建模

在仿真試驗(yàn)中，元器件故障模型是在其功能模型的基礎(chǔ)上建立起來的。而功能模型是指不用考慮元器件的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)，利用其電學(xué)特性，所建立的關(guān)于其輸入輸出特性的數(shù)學(xué)方程式。因此，元器件故障模型可以通過修改功能模型參數(shù)的參數(shù)建模法，或者利用常見功能模型重新組合再修改參數(shù)的子電路建模法來建立。

通常情況下，電路的故障建模是在各個(gè)元器件的故障模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行電路連接的過程。一般電路系統(tǒng)的故障模型都與特定的仿真引擎相關(guān)。在Multisim中，建立故障電路的仿真模型，其實(shí)質(zhì)就是修改元器件功能模型參數(shù)，或者用元器件故障模型替換無故障元器件的過程。為了保證電路系統(tǒng)原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文采用“元器件重組法”來建立電路的故障仿真模型，其過程如圖6所示。其要點(diǎn)是針對元器件的關(guān)鍵失效模式，建立對應(yīng)的、準(zhǔn)確的故障模型。

圖6 故障仿真模型建立流程

3.2.2 故障注入

故障注入是指把建立的故障模型人為地引入到系統(tǒng)中，加速系統(tǒng)失效或產(chǎn)生故障，并進(jìn)行測試的過程。按照注入方法的不同，可以把故障注入技術(shù)分為三類：基于物理的故障注入、基于軟件的故障注入和混合故障注入。本文主要是針對仿真環(huán)境下電路系統(tǒng)測試性研究，采用基于Multisim軟件的仿真故障注入方法。

目前，仿真故障注入方法主要分三類：

1)修改電路原理圖法：對電路原理圖進(jìn)行直接修改，把故障模型注入到指定位置；

2)修改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮募ǎ喊压收闲畔⒅苯訉懭氲诫娐肪W(wǎng)表文件中，從而生成帶有故障信息的網(wǎng)表文件；

3)修改模型定義法：修改元器件模型的定義文件，注入所需故障。

這3種方法在本質(zhì)上都是用元器件模型重組后的故障模型替換無故障元器件，從而形成帶有故障信息的電路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。而修改電路原理圖的方法比較直觀，便于設(shè)計(jì)人員操作，本文主要采用這種注入方法。同時(shí)為了保證故障電路特性的正確性，對單故障電路進(jìn)行單獨(dú)測試分析，對多故障電路采取如圖7所示的注入流程。

圖7 故障電路注入流程

3.3 火控系統(tǒng)電路故障仿真

3.3.1 電路故障仿真方法

在完成火控系統(tǒng)電路原理仿真基礎(chǔ)上，根據(jù)故障分析結(jié)果，可通過故障建模和故障注入生成火控系統(tǒng)的故障電路。

在Multisim環(huán)境下，通過對電路的仿真，模擬電路系統(tǒng)的故障工況，從而研究診斷系統(tǒng)對火控系統(tǒng)的測試能力。它將Multisim軟件仿真和故障注入技術(shù)相結(jié)合，很好地實(shí)現(xiàn)了火控系統(tǒng)不同級別的電路功能模擬、故障復(fù)現(xiàn)，有效驗(yàn)證了故障診斷系統(tǒng)的測試能力，同時(shí)也為改進(jìn)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。其主要實(shí)現(xiàn)過程如圖8所示。

圖8 Multisim環(huán)境下電路故障的仿真方法

3.3.2 電路故障仿真策略

隨著電路系統(tǒng)功能日益多樣化，其規(guī)模也越加龐大復(fù)雜，在進(jìn)行電路故障仿真時(shí)，通常會面臨以下問題：

1)需要建立的元器件模型種類繁多，數(shù)量龐大；

2)元器件在受到各種環(huán)境應(yīng)力的影響下，在加上其參數(shù)的離散性、容差、老化、非線性，使得電路的行為條件很難確定；

3)復(fù)雜電路的故障模式數(shù)量龐大，往往使得仿真工作量和需要的存儲容量難以接受。

火控系統(tǒng)電路復(fù)雜龐大，為更好地實(shí)現(xiàn)電路仿真，須采取相應(yīng)的優(yōu)化仿真策略。本文為了有效降低仿真模擬的計(jì)算量和存儲容量，選擇采用電路劃分層次策略和分類策略。

1)劃分層次策略：對電路進(jìn)行層次劃分和建立元素的宏模型，把系統(tǒng)的仿真分多步、順序進(jìn)行，從而降低了每次仿真的計(jì)算量。其層次分解的策略是：將電子系統(tǒng)按照功能劃分成系統(tǒng)級、模塊級、電路級和分立元器件級，把每個(gè)電路的基本組成單元稱為元素。仿真按照由底至頂?shù)捻樞蜻M(jìn)行。

2)對下層輸出信號進(jìn)行分類的策略：對下層的輸出信號基于合并和競爭學(xué)習(xí)的算法進(jìn)行分類，提取有限的典型信號，將其對應(yīng)的故障作為上層的行為條件。可以減少仿真的次數(shù)，并減少存儲容量。

4 仿真軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 軟件基本結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)綜合控制、中間件集合、系統(tǒng)應(yīng)用三層，在操作系統(tǒng)與底層驅(qū)動的支持下工作。其中系統(tǒng)綜合控制層完成測試資源的動態(tài)分配、連接關(guān)系的實(shí)時(shí)切換、虛擬端口的映射管理以及軟/硬件協(xié)同等功能；中間件集合層完成仿真模型的管理、模型的載入、硬件通道的讀取與控制、邏輯推理、仿真結(jié)果存取以及數(shù)據(jù)庫管理等功能；系統(tǒng)應(yīng)用層面向最終應(yīng)用，可以完成火控系統(tǒng)電路功能仿真、部件測試、電路故障模擬、故障推理診斷、診斷結(jié)果分析以及數(shù)據(jù)顯示與報(bào)表生成等功能。其功能結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖

4.2 故障診斷基本流程

故障診斷系統(tǒng)通過測試通道獲取實(shí)物部件/組件經(jīng)過可編程陣列之后的狀態(tài)信息、通過虛擬端口獲取Multisim仿真結(jié)果等信息，在邏輯推理模塊的支持下，識別確定部件/組件或仿真模型的故障，并定位故障節(jié)點(diǎn)。故障診斷以常見故障為主，模擬專家解決問題的思路，在原理分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合電路實(shí)際連接關(guān)系，選取較為方便的測試點(diǎn)，從最簡單的操作入手，以對分法壓縮故障范圍，實(shí)現(xiàn)單板、外圍元器件故障定位。

圖10 故障診斷基本流程

圖10所示為故障診斷基本流程。其過程是，根據(jù)故障現(xiàn)象和系統(tǒng)硬件提供的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，結(jié)合正常電路分析、故障模擬的仿真結(jié)果及前期故障診斷獲得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，生成故障字典；根據(jù)故障字典生成新的測試向量與狀態(tài)采集點(diǎn)，進(jìn)一步進(jìn)行精準(zhǔn)定點(diǎn)測試；而后將上述綜合信息傳送給故障診斷模塊，進(jìn)行知識處理和分析，得到部件及其功能單元或仿真電路的故障部位與故障原因。

5 結(jié)語

以Multisim和LabVIEW為基礎(chǔ)，結(jié)合硬件測試環(huán)境而構(gòu)建的火控系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺，屬于硬件在環(huán)仿真。與現(xiàn)有火控系統(tǒng)純軟件仿真平臺相比，可以借助硬件在環(huán)仿真克服不同裝甲裝備功能和故障不容易復(fù)現(xiàn)或只能模擬單一功能或故障模式的困境，不僅可以真實(shí)再現(xiàn)實(shí)裝操作時(shí)某一板卡或部件功能和故障模式，還能夠模擬多部件多故障模式，并進(jìn)行在線調(diào)試。從系統(tǒng)的角度出發(fā)，硬件在環(huán)仿真技術(shù)允許在系統(tǒng)中接入實(shí)物硬件，也就是可以把實(shí)體電路板或部件放在系統(tǒng)中進(jìn)行測試，以使得電路板或者部件能在滿足系統(tǒng)整體性能指標(biāo)的環(huán)境中得到檢驗(yàn)。由于該系統(tǒng)為虛實(shí)結(jié)合的系統(tǒng)，故實(shí)驗(yàn)結(jié)果比純數(shù)字仿真更接近實(shí)際。另一方面，本仿真平臺采用開放型設(shè)計(jì)，相關(guān)電路參數(shù)和系統(tǒng)程序可以隨時(shí)修改，用以滿足不同裝甲裝備火控系統(tǒng)功能仿真、故障模擬及故障診斷，提高了使用價(jià)值，拓寬了實(shí)際用途。

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SemiPhysicalCo-simulationMethodofFireControlSystemBasedonLabVIEWandMultisim

Qi Xiaobing,Zhu Bin, Li Jialiang

(Department of Control Engineering,Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Aiming at electric circuit constitution and function characteristics for fire-control system of current battlefield armored equipment, carrying a research on fault diagnosis method and testing requirements in the process of fire-control system maintenance,a semi physical co-simulation method for fire control system is proposed in this paper.The design ideas, realization means and application function of the method are introduced. This method gives full play to the advantages of LabVIEW and Multisim, with the hardware-in-the-loop simulation method, using simulation model replacing part or all of the fire-control system components, realizes circuit function simulation and fault recurrence for different levels of fire-control system,fast completes fault diagnosis analysis.This method can solve the maintenance diagnostic equipment for fire-control system of current armored equipment in poor universality, the low degree of standardization, poor openness,difficult to really simulate function, fault injection and fault detection on system or component level, etc.So it can provide an effective platform for the development of fire-control system fault diagnosis and test equipment of our battlefield armored equipment, and provide platform for the grass roots units to carry out the repair and maintenance training.

fire control system;circuit; semi physical; co-simulation

2017-03-16；

2017-04-20。

齊曉冰(1989-)，女，河南滑縣人，碩士研究生，助理工程師，主要從事導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制方向的研究。

朱 斌(1973-)，男，湖北天門人，碩士研究生，副教授，主要從事導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制方向的研究。

1671-4598(2017)10-0108-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.029

TP29

A