張麗萍，金洪波，王 旻，武海峰

（1.海軍航空工程學(xué)院 指揮系，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學(xué)院 研究生管理大隊，山東 煙臺 264001；3.華能煙臺發(fā)電有限公司 山東 煙臺 264001）

多級同步感應(yīng)線圈發(fā)射器觸發(fā)控制研究

張麗萍1，金洪波2，王 旻2，武海峰3

（1.海軍航空工程學(xué)院 指揮系，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學(xué)院 研究生管理大隊，山東 煙臺 264001；3.華能煙臺發(fā)電有限公司 山東 煙臺 264001）

為了研究多級同步感應(yīng)線圈發(fā)射器觸發(fā)控制問題，改進了多級同步感應(yīng)線圈發(fā)射器的結(jié)構(gòu)，增加了圓盤線圈為電樞提供初速度，并設(shè)計了考慮電樞初速度的軟觸發(fā)控制方式，通過仿真求取軟觸發(fā)時間序列。實驗結(jié)果表明改進的觸發(fā)控制方式增加了觸發(fā)控制的準確性，有利于提高發(fā)射效率。

多級同步感應(yīng)線圈發(fā)射器；軟觸發(fā)控制；仿真分析；觸發(fā)時間序列

同步感應(yīng)線圈發(fā)射器具有電樞與炮管無直接接觸、發(fā)射效率高、適于發(fā)射大質(zhì)量載荷等優(yōu)點，軍事應(yīng)用前景廣闊[1-3]。單級感應(yīng)線圈發(fā)射器發(fā)射的速度較低，要將物體發(fā)射到較高的速度，可以通過增加驅(qū)動線圈的級數(shù)來實現(xiàn)。為了保證各級驅(qū)動線圈對電樞持續(xù)加速，使得電樞達到較大出口速度，需要對驅(qū)動線圈進行精準的同步觸發(fā)控制。已有大量文獻對感應(yīng)線圈發(fā)射器的同步觸發(fā)控制問題做過研究[4-5]，大多限于簡單的定時或?qū)崟r觸發(fā)。

文中對多級同步感應(yīng)線圈發(fā)射器的觸發(fā)控制問題進行了研究，提出了考慮電樞初速度的觸發(fā)控制方法。

1 一種改進的多級同步感應(yīng)線圈發(fā)射器結(jié)構(gòu)

電樞初速度的建立有多種方法。螺旋線圈存在電樞初始位置不確定，電樞啟動困難，初級線圈發(fā)射效率低等固有缺陷，不適合作為初級線圈給電樞提供初速。而用于電磁攔截的圓盤線圈與電樞的磁耦合更緊密，且兩者距離越近耦合效率越高。在相同電流作用下，圓盤線圈較螺旋線圈產(chǎn)生的加速力大，并且電樞初始位置固定，因此電樞能以更高的速度進入第一級驅(qū)動線圈，減少了發(fā)射線圈級數(shù)，降低了同步控制的復(fù)雜程度，工程上易于實現(xiàn)。綜合考慮各種因素，采用圓盤線圈為電樞提供初速度，改進了多級同步感應(yīng)線圈發(fā)射器（Multi-stage Synchronous Induction Coil Launcher，MSSICL）的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

發(fā)射器主要由脈沖功率電源、觸發(fā)開關(guān)、圓盤線圈、驅(qū)動線圈、電樞、同步觸發(fā)控制電路等組成。圓盤線圈用矩形截面的銅帶按照一定的間距均勻繞制成為平面螺旋狀，用絕緣材料澆注后，安裝在發(fā)射管的底端；驅(qū)動線圈用矩形截面或圓形截面的銅導(dǎo)線繞制成螺線管狀，并固定在發(fā)射管上；電樞為一個底部封閉的鋁制圓筒，可加裝負載。

發(fā)射前，將電樞緊貼圓盤線圈；發(fā)射時，先接通圓盤線圈的觸發(fā)開關(guān)，圓盤線圈被饋以脈沖大電流，產(chǎn)生的磁場與平板電樞內(nèi)的感應(yīng)電流相互作用，推動電樞向前加速運動，并以較高速度進入驅(qū)動線圈內(nèi)，各級驅(qū)動線圈依次觸發(fā)，對電樞持續(xù)加速，直至離開發(fā)射管。在發(fā)射器結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，更改電容器組充電電壓，則圓盤線圈可以給電樞提供不同的初速度。

圖1 一種改進的MSSICL剖面示意圖Fig.1 Cross-section of the improved MSSICL

2 觸發(fā)控制策略

目前我國對MSSICL觸發(fā)控制系統(tǒng)的設(shè)計研制普遍采用位置檢測觸發(fā)控制和普通的延時觸發(fā)控制這兩種方法。然而，位置檢測觸發(fā)控制方式的觸發(fā)位置受制于位置檢測傳感器的安裝位置，缺少靈活性，而且當(dāng)電樞在高速飛行時可能導(dǎo)致觸發(fā)失靈。延時觸發(fā)控制方式與位置檢測觸發(fā)控制方式相比具有較好的靈活性，也不存在觸發(fā)控制系統(tǒng)失效的問題，但是它無法掌握電樞的運動位置，缺乏準確性。

為了解決位置檢測觸發(fā)控制和普通的延時觸發(fā)控制存在的問題，本文采用了一種考慮電樞初速度的軟觸發(fā)控制方式。

首先用MSSICL的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立其發(fā)射過程模型，給定放電電壓，通過數(shù)值仿真的方法得出電樞最大初速度；仿真求取最大初速度時，一、二級驅(qū)動線圈的最佳觸發(fā)位置，對應(yīng)最佳觸發(fā)時間序列；在一定范圍內(nèi)改變放電電壓，多次仿真得到不同初速時一、二級驅(qū)動線圈的最佳觸發(fā)時間矩陣；將該時間矩陣存儲入單片機；在第一級驅(qū)動線圈之前安裝測速裝置，發(fā)射時，實時測量電樞進入第一級驅(qū)動線圈的速度，將此速度讀入單片機，與矩陣中的速度元素進行匹配，匹配成功調(diào)用對應(yīng)的觸發(fā)時間序列，啟動單片機定時器定時，定時時間到對一、二級驅(qū)動線圈依次觸發(fā)放電，驅(qū)動電樞加速運動；如果實時測量的速度不能與矩陣中的速度匹配，采用數(shù)據(jù)插值的方法獲取觸發(fā)序列。觸發(fā)控制裝置的組成及信號流程如圖2所示。這種觸發(fā)控制方式原理簡單、制作成本低，能夠滿足早期研究階段的控制需求。

圖2 觸發(fā)控制信號流程Fig.2 Flow of trigger signal

3 最佳觸發(fā)時間序列的確定

多級同步感應(yīng)線圈發(fā)射器最佳觸發(fā)位置的存在已經(jīng)得到驗證[6-9]。最佳觸發(fā)位置對應(yīng)最佳觸發(fā)時間。通過對實驗?zāi)Ｐ瓦M行仿真計算，得到不同放電電壓下電樞的初速度及電樞的最大出口速度等數(shù)據(jù)。

1）圓盤線圈單獨作用時，不同放電電壓時電樞速度隨時間變化曲線，如圖3所示。由于實驗室條件所限，為保證人員與設(shè)備的安全，實驗中脈沖電容器組最大充電電壓不超過3 kV，電容為1 mF。本實驗中電壓范圍選定在1.6～2.4 kV之間，圖3給出了放電電壓分別為1.6 kV、2.4 kV時電樞速度隨時間變化曲線。

圖3 電樞速度隨時間的變化曲線Fig.3 Velocity of the armature varying time

從圖3可以看出，當(dāng)放電電壓為1.6 kV時，t=0.38 ms以后，電樞速度穩(wěn)定在20 m/s左右；當(dāng)放電電壓為2.4 kV時，t=0.42 ms以后，電樞速度穩(wěn)定在40 m/s左右。在0.4 ms以后雖然發(fā)射裝置的放電回路中還有電流，但由于電樞與發(fā)射線圈間的距離變大，電磁力對其加速作用很小，此時，電樞主要靠慣性向前運動。

2）不同初速度對應(yīng)的最大出口速度及最佳觸發(fā)時間在1.6～2.4 kV范圍內(nèi)設(shè)定放電電壓，從而得到不同的電樞初速度。并以不同電樞初速度為變量進行仿真分析，求取電樞獲取最大出口速度所對應(yīng)的一、二級驅(qū)動線圈觸發(fā)時刻。圖4為電樞初速為20 m/s、40 m/s，電樞獲取最大出口速度時電樞速度隨時間變化曲線。圖5為第一、二級驅(qū)動線圈最佳觸發(fā)時刻隨電樞初速度變化圖。

圖中t=0為電樞到達測速裝置時刻。由圖4、5可知，電樞初速20 m/s時，第一、二級驅(qū)動線圈最佳觸發(fā)時間分別為4.25 ms、7.38 ms，電樞最大出口速度為53.9 m/s；電樞初速40 m/s時，第一、二級驅(qū)動線圈最佳觸發(fā)時間分別為2.16 ms、4.21 ms，電樞最大出口速度為67.3 m/s。圖5中，在[20，40]之間每隔0.5 m/s取一組觸發(fā)時間，得到一個最佳觸發(fā)時間矩陣。

圖4 電樞速度隨時間的變化曲線Fig.4 Velocity of the armature varying time

圖5 最佳觸發(fā)時間隨電樞初速度變化曲線Fig.5 Trigger time vs.velocity of the armature

4 實驗驗證

根據(jù)實驗要求搭建了實驗平臺。首先，對單個圓盤線圈的發(fā)射情況進行了實驗驗證，放電電壓在1.6～2.4 kV范圍內(nèi)，實驗測得的速度與仿真出的最大初速度有一定差距，綜合多次實驗數(shù)據(jù)，剔除奇點后，發(fā)現(xiàn)誤差處于8％左右。為此，在不大量增加計算量的前提下，適當(dāng)增大初速范圍，得到最佳觸發(fā)時間矩陣，并通過上位機傳送給單片機觸發(fā)控制系統(tǒng)。然后，用基于仿真的軟觸發(fā)控制方式對電磁線圈發(fā)射器進行了連續(xù)發(fā)射實驗，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，誤差在13％左右，較普通的延時觸發(fā)精度有一定的提高。

5 結(jié) 論

這種改進的電磁線圈發(fā)射器較普通多級同步感應(yīng)線圈發(fā)射器相比，降低了同步控制的難度，提高了發(fā)射的可靠度。通過仿真求取了不同電樞初速度時驅(qū)動線圈的最佳觸發(fā)時間序列。利用測速裝置對電樞初速度進行實時測量，結(jié)合軟件延時，減少了延時時間與電樞速度的積累誤差。文中沒有考慮速度測量、速度匹配及放電開關(guān)導(dǎo)通等因素造成的觸發(fā)延時，仿真過程中也沒有考慮非線性因素，在后續(xù)研究中需要繼續(xù)改進和完善。

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Trigger control method of multi-stage synchronous induction coil launcher

ZHANG Li-ping1，JIN Hong-bo2，WANG Min2，WU Hai-feng3
（1.Department of Command，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China；2.Graduate Students' Brigade ，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China；3.Huaneng Yantai power generation co.LTD，Yantai 264001，China）

In order to investigate the trigger control method of multi-stage synchronous Induction coil launcher（MSSICL），an improved MSSICL is introduced in this paper.A pancake coil is added to MSSICL.The main function of the pancake coil is to provide initial velocity to the armature .A method of software trigger control is designed for the MSSICL with armature velocity.The best triggering time in the coil of each stage is obtained through simulation of the electromechanical model.The experimental results show that the improved method can increase the accuracy of the trigger control system，and can improve the launch efficiency of MSSICL.

multi-stage synchronous induction coil launcher；software trigger control；simulation analysis；triggering time series

TN709

A

1674-6236（2014）11-0026-03

2013-10-09 稿件編號：201310021

張麗萍（1979—），女，山東招遠人，碩士，講師。研究方向：電磁發(fā)射技術(shù)、火力控制技術(shù)。