劉兆凱

(中國(guó)人民解放軍91640部隊(duì)， 廣東 湛江 524064)

引言

奧托-II燃料是當(dāng)前熱動(dòng)力魚(yú)雷的主要推進(jìn)劑，例如美軍的MK46、MK54等型號(hào)的魚(yú)雷都是使用的奧托-II燃料，將奧托-II燃料加注到魚(yú)雷的動(dòng)力系統(tǒng)中，并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷自主航行。奧托-II燃料是一種硝酸酯類燃料，具有一定的毒性和腐蝕性，因此在魚(yú)雷存儲(chǔ)保管中，需要將燃料卸載分開(kāi)保管，在備戰(zhàn)轉(zhuǎn)級(jí)時(shí)進(jìn)行燃料加注。由于奧托-II燃料對(duì)人體有一定的毒性危害，為了提高燃料加注的智能性，降低燃料加注的風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間開(kāi)銷，需要研究一種智能的奧托-II燃料加注系統(tǒng)，能夠有效提高魚(yú)雷轉(zhuǎn)級(jí)的效率，同時(shí)降低對(duì)人體的損傷，研究奧托-II燃料加注智能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在軍事應(yīng)用中具有重要意義[1]。

當(dāng)前，對(duì)奧托-II燃料加注方法主要采用人工加注方法，存在中毒風(fēng)險(xiǎn)性大和加注量控制不準(zhǔn)等問(wèn)題[2]。為了提高燃料加注的智能性，本文提出基于嵌入式多線程總線控制技術(shù)的燃料加注智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制算法設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)三部分。首先進(jìn)行加注系統(tǒng)的控制原理分析和控制算法設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行燃料加注控制系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，最后采用ARM Cortex-M0為核心處理器，結(jié)合單片機(jī)進(jìn)行燃料加注系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制，并進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，展示了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)在提高奧托-II燃料加注智能性方面的優(yōu)越性能。

1 控制原理分析和控制算法

本文研究奧托-II燃料加注智能控制系統(tǒng)，首先進(jìn)行燃料加注的控制原理分析。燃料加注系統(tǒng)控制過(guò)程主要是燃料輸送的電機(jī)控制過(guò)程[3]，以功率因素、電機(jī)效率、輸出電壓和電流為控制約束參量，構(gòu)建奧托-II燃料加注系統(tǒng)的控制決策函數(shù)，采用模糊PID控制方法，假設(shè)r為燃料加注系統(tǒng)電機(jī)控制輸入，P(s)為被控過(guò)程的自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié)參量，M(s)為被控過(guò)程的穩(wěn)態(tài)控制誤差；Q1(s)和Q2(s)構(gòu)成燃料加注交流同步伺服系統(tǒng)的容錯(cuò)性控制系數(shù)，構(gòu)建一個(gè)變結(jié)構(gòu)的前向三層自適應(yīng)控制器，將燃料的加注當(dāng)量等參數(shù)輸入到模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，得到控制器的參數(shù)自整定性輸出為：

(1)

采用伺服控制單元對(duì)燃料加注系統(tǒng)的直流電機(jī)傳動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，得到優(yōu)化的控制方程描述為：

(2)

對(duì)燃料加注控制系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償和誤差修正，在不確定時(shí)延和小擾動(dòng)作用下，誤差補(bǔ)償后的輸出量為：

(3)

其中，A為伺服電動(dòng)機(jī)組的轉(zhuǎn)矩，B為恒功率區(qū)的過(guò)載，通過(guò)速度控制、位置控制和轉(zhuǎn)矩控制，對(duì)加注系統(tǒng)的六相永磁無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，得到恒定的輸出功率狀態(tài)為：

(4)

根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性原理，通過(guò)對(duì)燃料加注系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參量的自適應(yīng)調(diào)整，得到燃料加注系統(tǒng)并聯(lián)控制確定項(xiàng)為：

(5)

加注系統(tǒng)控制電機(jī)同步阻尼控制的效率為：

(6)

燃料的加注傳輸效率為：

(7)

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的奧托-II燃料加注智能控制系統(tǒng)由AD模塊、上位機(jī)通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、集成控制模塊和人機(jī)交互模塊組成[5]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的功能模塊組成Fig. 1 Functional block composition of the system

采用嵌入式技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，結(jié)合多線程總線控制和程序調(diào)度方法進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[6]，采用ADSP2161/2162/2164作為集成信息處理芯片，使用51單片機(jī)進(jìn)行燃料加注系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)智能控制，根據(jù)控制程序進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)害化加注。在人機(jī)交互界面進(jìn)行奧托-II燃料加注智能控制系統(tǒng)的參數(shù)配置，根據(jù)參數(shù)設(shè)置，通過(guò)多線程的PCI總線將控制信息送到DSP，使用LabWindows/CVI進(jìn)行燃料加注的過(guò)程控制，根據(jù)魚(yú)雷狀態(tài)進(jìn)行加注量判斷和加注時(shí)間的優(yōu)化[7]。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理分析，結(jié)合應(yīng)用環(huán)境，給出本文設(shè)計(jì)的燃料加注系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)為：

(1)奧托-II燃料加注智能控制系統(tǒng)的輸入電壓范圍為：+/-220 V、+/-360 V，具有16位定點(diǎn)STM32內(nèi)核；

(2)加注過(guò)程控制的時(shí)延誤差小于0.02 ms，燃料容量誤差小于0.1 L；

(3)加注控制系統(tǒng)對(duì)控制信號(hào)的最高采樣速率為132 KHz，最低采樣速率為15 KHz，能滿足多種型號(hào)魚(yú)雷的燃料加注需求；

(4)A/D分辨率：12位(至少)；

(5)數(shù)據(jù)的回放形式包括CW、LFM、HFM等多種形式，能實(shí)時(shí)讀取燃料加注情況。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)行燃料加注智能控制系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)。

2.2 模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用嵌入式ARM Cortex-M0為核心處理器，以ADI公司的ADSP21160處理器系統(tǒng)作為核心控制器，進(jìn)行硬件模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)合單片機(jī)進(jìn)行燃料加注系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制，完成程序加載和上位及通信等，硬件設(shè)計(jì)包括傳感器模塊、集成控制模塊、AD模塊和人機(jī)交互模塊等[8-10]，對(duì)各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)描述如下。

2.2.1 傳感器模塊

傳感器模塊是實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料加注的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能，采用壓電傳感器和電磁傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，滿足16位DSP和32位DSP的定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集功能。傳感器進(jìn)行燃料加注數(shù)據(jù)采集中采用20條左右的單周期指令進(jìn)行多線程控制，采用電壓為3.2 V的有源晶振作為時(shí)鐘源，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的時(shí)鐘控制，得到如圖2所示的傳感器模塊電路。

圖2 傳感器模塊電路Fig. 2 Sensor module circuit

2.2.2 集成控制模塊

集成控制模塊是燃料加注控制系統(tǒng)的核心，采用PCI9054的LOCAL總線進(jìn)行控制程序加載，采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行船舶奧托-II燃料加注智能控制信息遠(yuǎn)程通信傳輸和無(wú)線射頻識(shí)別，各種控制信號(hào)由CPLD產(chǎn)生，在輸出終端輸出8路D/A轉(zhuǎn)換信號(hào)，采用 8 位和 16 位單片機(jī)微控制器進(jìn)行燃料加注系統(tǒng)的智能控制，控制模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 集成控制模塊電路Fig. 3 Integrated control module circuit

2.2.3 AD模塊

AD模塊采用AD公司的AD9225芯片設(shè)計(jì)，根據(jù)燃料加注的AD采樣需求，AD模塊設(shè)計(jì)采用了單5 V供電，分辨率12位，輸入到AD的電源為模擬電源和數(shù)字電源，AD9225可以差分輸入，也可以是單端輸入，數(shù)字電源用于控制數(shù)字接口電平，AD控制器的模擬控制管腳包括SENCE和VREF，采用并行外設(shè)接口(PPI)進(jìn)行人機(jī)通信和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。根據(jù)上述設(shè)計(jì)描述，得到AD模塊的電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 AD模塊設(shè)計(jì)Fig. 4 AD module design

2.2.4 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊采用TRF7960為主控芯片，采用USB接口、RF接口、WIFI接口和GPRS接口進(jìn)行人機(jī)交互，在參數(shù)輸入界面輸入加注信息，比如魚(yú)雷的型號(hào)、批次、參數(shù)以及加注量等，結(jié)合無(wú)線智能終端控制完成人機(jī)交互，得到人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 人機(jī)交互模塊電路設(shè)計(jì)Fig. 5 Circuit design of human-computer interaction module

綜上，完成了奧托-II燃料加注智能控制系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)，并在PCB平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)電路集成設(shè)計(jì)。

3 軟件開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)調(diào)試

采用多線程總線控制技術(shù)進(jìn)行程序加載，實(shí)現(xiàn)燃料加注控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)，并在嵌入式環(huán)境下進(jìn)行程序的編輯、編譯和調(diào)試，在Visual DSP++集成信息處理平臺(tái)中進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和性能分析，燃料加注系統(tǒng)的控制信號(hào)源分別設(shè)定為CW波、鋸齒波、三角波和方波四種波形，采樣輸入信號(hào)為-4～0 V的10 K脈沖信號(hào)，作為燃料加注控制系統(tǒng)的控制脈沖，數(shù)據(jù)流盤將實(shí)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)(存放在HPE1562E)傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)硬盤，在控制面板中輸入燃料加注信息，實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置，如圖6所示。

圖6 參數(shù)配置界面Fig. 6 Parameter configuration interface

根據(jù)圖6的參數(shù)配置結(jié)果，進(jìn)行四線程的燃料加注測(cè)試，并在人機(jī)交互界面觀察加注動(dòng)態(tài)結(jié)果，如圖7所示。

圖7 多線程燃料加注控制輸出Fig. 7 Multithreaded fuel injection control output

分析圖7 得知，各個(gè)線程的輸出信號(hào)穩(wěn)定性較好，說(shuō)明加注的平穩(wěn)控制性能較好，人機(jī)交互性能較強(qiáng)，提高了加注的智能性和精準(zhǔn)度，在魚(yú)雷奧托-II燃料加注智能控制中具有較好的穩(wěn)健控制能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于奧托-II燃料對(duì)人體有一定的毒性危害，為了提高燃料加注的智能性，降低燃料加注的風(fēng)險(xiǎn)，研究一種智能的奧托-II燃料加注系統(tǒng)，提高魚(yú)雷轉(zhuǎn)級(jí)的效率。本文設(shè)計(jì)出基于嵌入式多線程總線控制技術(shù)的燃料加注智能控制系統(tǒng)，結(jié)合單片機(jī)進(jìn)行燃料加注系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制，采用多線程總線控制技術(shù)進(jìn)行程序加載，實(shí)現(xiàn)燃料加注控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)。本文設(shè)計(jì)的奧托-II燃料加注智能控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，較強(qiáng)的人機(jī)交互性，在熱動(dòng)力魚(yú)雷燃料加注中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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