某型火炮平衡機(jī)氣壓自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文根據(jù)部隊(duì)對(duì)裝備進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)的具體需求，研制了火炮平衡機(jī)氣壓自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)平衡機(jī)氣壓調(diào)整的自動(dòng)操作，平衡機(jī)氣壓越限報(bào)警，以及任意射角情況下進(jìn)行平衡機(jī)自動(dòng)充、放氣操作等功能?；?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/PLC">PLC的計(jì)算機(jī)控制、通訊技術(shù)，傳感器技術(shù)，氣壓傳動(dòng)技術(shù);軟件采用了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，模糊組合邏輯控制，數(shù)字信號(hào)處理等先進(jìn)技術(shù)。該系統(tǒng)可大幅度減輕操作人員和保障人員的工作強(qiáng)度，提高安全可靠性，保證裝備器材的安全使用。

引言

　　在某型火炮的野戰(zhàn)訓(xùn)練和維護(hù)保養(yǎng)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到平衡機(jī)的內(nèi)部氣壓由于天氣等因素的影響發(fā)生驟然變化，過高或過低的氣壓造成操作上的困難。因此，需要不斷地用機(jī)械方法調(diào)整平衡機(jī)氣壓。這種采用人工操作，頻繁的調(diào)整平衡機(jī)氣壓的方式不僅容易損壞裝備而且影響正常訓(xùn)練，同時(shí)也難以保證調(diào)整精度。

　　該平衡機(jī)氣壓自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)是一套由微機(jī)控制的自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，通過對(duì)火炮射角及平衡機(jī)內(nèi)氣體壓力變化的監(jiān)測，由PLC產(chǎn)生控制信號(hào)，對(duì)平衡機(jī)進(jìn)行充、放氣控制，從而消除故障。該系統(tǒng)代替了目前平衡機(jī)充、放氣以及調(diào)整機(jī)構(gòu)的人工操作，具有調(diào)整精度高、操作速度快、使用簡便安全的特點(diǎn)，為自行火炮的快速瞄準(zhǔn)、快速反應(yīng)提供了重要保障。

1 系統(tǒng)組成與原理

1.1 系統(tǒng)組成

　　“某型火炮平衡機(jī)氣壓自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)”由氣動(dòng)執(zhí)行子系統(tǒng)、控制決策子系統(tǒng)和參數(shù)設(shè)定及顯示子系統(tǒng)組成，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

1.2 工作原理

　　系統(tǒng)采用PLC控制技術(shù)，根據(jù)輸入的火炮射角和氣壓傳感器反饋的壓力信號(hào)計(jì)算控制量，并接通充、放氣的控制電路。當(dāng)系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)時(shí)(行軍過程、射擊過程)，系統(tǒng)關(guān)閉不進(jìn)行充、放氣操作;當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)(平衡機(jī)氣壓檢測)，由射角—?dú)鈮簲?shù)學(xué)模型計(jì)算得到理想壓力值，并和測量得到的實(shí)際壓力值進(jìn)行比較，基于模糊組合邏輯算法產(chǎn)生控制信號(hào)，通過電磁力的作用使換向閥工作，打開相應(yīng)的通路，由氣源向平衡機(jī)進(jìn)行充氣或由平衡機(jī)放氣。與此同時(shí)，相應(yīng)的充、放氣指示燈點(diǎn)亮，并在顯示屏幕上顯示當(dāng)前的火炮射角和平衡機(jī)內(nèi)的氣壓值。

1.3 系統(tǒng)硬件

　　硬件由氣動(dòng)部分、控制部分、顯示部分和連接部分組成。

　　氣動(dòng)部分主要由電磁閥、單向閥、三通件、消音器和高壓鋼管組成。電磁閥作為充氣、放氣操作的執(zhí)行元件，接受PLC控制;單向閥防止充氣閥被加上反向壓差，起保護(hù)作用;三通件連接各支路氣路;消音器減小放氣時(shí)的噪音;高壓鋼管連接各氣動(dòng)元件。

　　控制部分主要由PLC、A/D轉(zhuǎn)換模塊和壓力傳感器組成。PLC根據(jù)壓力傳感器產(chǎn)生的反饋信號(hào)，計(jì)算開關(guān)控制量;A/D轉(zhuǎn)換模塊將壓力傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC可處理的數(shù)字信號(hào);壓力傳感器實(shí)時(shí)測量平衡機(jī)內(nèi)氣體壓力值。

　　顯示部分主要由液晶顯示屏、功能按鍵、操作指示燈和電源開關(guān)組成。液晶顯示屏工作時(shí)帶有綠色背光，用以顯示傳感器測量得到的氣體壓力值和由鍵盤輸入的火炮射角;功能按鍵用以設(shè)定控制參數(shù)，火炮射角數(shù)值的輸入，以及手動(dòng)開、關(guān)閥的控制;操作指示燈共有三個(gè)指示燈——報(bào)警燈(紅色)、充氣燈(綠色)和放氣燈(綠色)，用以指示系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài);電源開關(guān)用以接通、斷開系統(tǒng)電路。

　　連接部分主要由高壓膠管和快換接頭組成。高壓膠管共有兩根，為3米長，用以將系統(tǒng)與平衡機(jī)和氣源相連接;快換接頭用以快速的將高壓膠管與系統(tǒng)插接。

1.4 系統(tǒng)軟件

　　系統(tǒng)軟件部分主要由主控模塊、顯示模塊和控制模塊組成。

　　主控模塊采用西門子公司生產(chǎn)的PLC CPU 226作為控制器，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、便于維護(hù)等顯著優(yōu)點(diǎn)。其程序設(shè)計(jì)在其編程運(yùn)行環(huán)境STEP-7下可用國際通用的梯形圖語言，編譯通過后用PPI電纜下載到PLC。該模塊可以實(shí)現(xiàn)開機(jī)后系統(tǒng)自檢;對(duì)當(dāng)前平衡機(jī)內(nèi)氣體壓力進(jìn)行采樣，并做均值濾波;根據(jù)進(jìn)程依次調(diào)用其它程序模塊。

　　顯示模塊可分為屏幕顯示和指示燈顯示。屏幕顯示用于顯示當(dāng)前平衡機(jī)內(nèi)氣體壓力值，當(dāng)前火炮身管的射角輸入值;指示燈顯示用于顯示系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，如系統(tǒng)故障報(bào)警、系統(tǒng)充氣和系統(tǒng)放氣。

　　控制模塊可分為鍵盤控制和控制程序。鍵盤控制用于對(duì)功能鍵進(jìn)行識(shí)別，并做出相應(yīng)的反應(yīng)，例如電磁閥的手動(dòng)開、關(guān)。控制程序用于根據(jù)壓力傳感器的反饋信號(hào)，以及由射角—壓力數(shù)學(xué)模型得到的理想壓力值(目標(biāo)壓力值)計(jì)算開關(guān)控制量，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電磁閥工作。

1.5 射角—壓力數(shù)學(xué)模型建立

　　為了實(shí)現(xiàn)火炮身管在任意射角情況下，都能夠進(jìn)行平衡機(jī)自動(dòng)充、放氣操作，建立了射角—壓力映射關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

　　平衡機(jī)由于活塞和管壁存在強(qiáng)烈的摩擦，以及機(jī)筒內(nèi)彈簧調(diào)整機(jī)構(gòu)的作用，使之呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性。采用解析建模的方法無法建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，為此我們采用基于輸入—輸出數(shù)據(jù)的系統(tǒng)辨識(shí)的方法建立射角—壓力映射關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

　　在某型火炮上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集了身管全射角范圍內(nèi)，每隔0-15密位所對(duì)應(yīng)的平衡機(jī)氣壓壓力值。辨識(shí)算法采用基于L—M學(xué)習(xí)規(guī)則的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模型采用具有5個(gè)隱節(jié)點(diǎn)的2層單輸入單輸出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。設(shè)定誤差目標(biāo)值為0.05，經(jīng)過38步迭代計(jì)算，誤差值收斂到0.047116。

　　令μ為射角輸入，y為壓力輸出，W1、b1為輸入層到隱層的權(quán)值和閾值，W2、b2為隱層到輸出層的權(quán)值和閾值。建立了射角—壓力映射關(guān)系的數(shù)學(xué)模型：

　　其中：

，

　， b2=18.388

　　最終，得到模型輸出曲線和實(shí)際采樣的離散值。有了上述模型，就可計(jì)算得到火炮身管在任意射角下平衡機(jī)內(nèi)氣體的理想壓力值。

2 結(jié)論

　　“平衡機(jī)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)”的研制解決了上述問題，實(shí)現(xiàn)了平衡機(jī)氣壓調(diào)整的自動(dòng)操作，平衡機(jī)氣壓越限報(bào)警，以及任意射角情況下進(jìn)行平衡機(jī)自動(dòng)充、放氣操作等功能。經(jīng)過部隊(duì)試驗(yàn)性使用，使部隊(duì)徹底擺脫了以往平衡機(jī)充、放氣操作對(duì)火炮射角及操作環(huán)境的依賴，不需各方面復(fù)雜的技術(shù)和物資保障，且使用方便，不僅縮短了操作時(shí)間，而且提高了調(diào)整精確度。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第68頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。