牛 振，楊 雷，張 泓

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009;2.駐中國空空導(dǎo)彈研究院軍事代表室，河南 洛陽 471009;3.空軍駐黑龍江地區(qū)軍事代表室，哈爾濱 150001)

0 引 言

舵機是導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，它依據(jù)制導(dǎo)系統(tǒng)的控制信號，克服氣動鉸鏈力矩和彎曲力矩，驅(qū)動舵面以一定角速度偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生控制力，改變彈體的飛行姿態(tài)，從而控制導(dǎo)彈的飛行軌跡。舵機在空中的工作性能直接影響導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗性能和制導(dǎo)精度［1］。

目前，國內(nèi)的舵機溫度場測試系統(tǒng)或是最大加載力矩太小，或是不能實現(xiàn)加載與空載之間的自動轉(zhuǎn)換。本文設(shè)計的舵機溫度場測試系統(tǒng)通過氣動控制裝置實現(xiàn)舵機的自動裝夾與卸載以及力矩的自動加載與卸載，最大加載力矩70 N·m，四個通道可同時或獨立加載，可以實時檢測舵機的輸出力矩，不需打開溫箱，就能完成舵機在全溫狀態(tài)下的全部性能測試，并將測試結(jié)果實時顯示在舵反饋曲線圖的下面。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的工作過程是在測控計算機的統(tǒng)一控制下完成的。系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。在溫箱達到設(shè)定的溫度后，測控計算機首先設(shè)置舵機的工作電壓，通過GPIB 接口發(fā)送控制命令給電源，為被測舵機供電，之后對舵機進行自檢，在自檢正常后開始性能測試。

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖

空載性能測試時，計算機通過舵控信號發(fā)生和通訊單元向被測舵機發(fā)出控制指令和測試任務(wù)對應(yīng)的信號并通過數(shù)據(jù)采集單元接收舵反饋信息，然后將反饋數(shù)據(jù)繪制成舵機實際的運行曲線，同時進行空載角速度、相移、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差等動態(tài)參數(shù)的計算并將結(jié)果顯示在曲線圖的下面，便于用戶觀察、分析和判斷。

加載性能測試時，首先操作氣動控制裝置控制裝夾平臺完成舵機的自動裝夾，然后控制加卸載轉(zhuǎn)換機構(gòu)完成指定力矩的加載，測控計算機向被測舵機發(fā)送加載測試任務(wù)對應(yīng)的信號，接收舵反饋信息，繪制舵反饋曲線，將相應(yīng)參數(shù)的計算結(jié)果顯示在曲線圖的下面，同時實時采集機械加載裝置反饋的舵軸轉(zhuǎn)角和力矩信息。

當全部測試任務(wù)完成后，系統(tǒng)通過GPIB 接口控制電源下電，同時通過氣動控制裝置完成力矩的卸載和舵機的裝夾卸載，最后關(guān)閉溫箱。

2 測控計算機設(shè)計

2.1 測控計算機硬件設(shè)計

測控計算機硬件是基于PXI 總線搭建而成的，PXI 總線是在PCI 及CompactPCI 基礎(chǔ)上組合而成的一個構(gòu)架，具有高達132 MB/s(32 bit，33 MHz)的峰值數(shù)據(jù)吞吐率。采用模塊化設(shè)計方法，能夠根據(jù)不同的測試對象和要求進行安裝和拆卸，快速靈活地配置和搭建測試平臺［2］。

由圖1 可知，測控計算機主要由計算機、供電單元、舵控信號發(fā)生和通訊單元、信號采集與處理單元、轉(zhuǎn)角監(jiān)測單元組成。主要組成單元的構(gòu)成及功能如下:

前瞻性納入2015年6月—2017年2月漢中市中心醫(yī)院收治的穩(wěn)定期哮喘患者100例，均符合支氣管哮喘防治指南（2016版）的診治標準［6］，并排除患有心臟病、肝病、腎病和代謝性疾病的患者。按隨機數(shù)字表法平均分為觀察組和對照組。本研究由漢中市中心醫(yī)院倫理委員會批準實施，所有入組的患者均簽署了知情同意書。

(1)計算機:整個系統(tǒng)的控制中心，通過GPIB 接口實現(xiàn)電源的程控開關(guān)與回讀，通過PXI接口實現(xiàn)舵控指令的發(fā)送、舵反饋信息的采集以及力矩與轉(zhuǎn)角信號的實時檢測。由NI 公司的PXI－1042Q 機箱和PXI－8106 控制器組成［3］。

(2)供電單元:用于給舵機供電，有80 V 功率電源和27 V 控制電源。計算機通過GPIB 接口完成電壓的設(shè)置輸出和電壓與電流的回讀。

(3)舵控信號發(fā)生和通訊單元:輸出舵機測試所需的舵控信號，接收舵反饋信號，通過多功能串口卡PXI－8433/2 實現(xiàn)計算機與舵機之間數(shù)字信號的通訊及信息交換。

(4)信號采集與處理單元:完成4 路模擬舵反饋信號和力矩信號的高速高精度采集及信號的隔離和差動/單邊變換［4］。主要由NI 公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡PXI－6259 實現(xiàn)，具有32 路輸入和4路輸出通道，單通道采樣率高達1.25 MS/s［5］。

(5)轉(zhuǎn)角監(jiān)測單元:接收機械加載裝置中光電編碼器輸出的4 路舵偏角脈沖信號，從外部監(jiān)測舵機的實際工作狀態(tài)，由定時/計數(shù)卡PXI－6602進行差動計數(shù)來實現(xiàn)。

2.2 測控計算機軟件設(shè)計

2.2.1 多線程技術(shù)

LabWindows/CVI 將功能強大的C 語言與測控技術(shù)結(jié)合，具有靈活的交互式編程方法和豐富的庫函數(shù)［6］。本文以LabWindows/CVI 作為軟件開發(fā)平臺，遵循模塊化開發(fā)思想開發(fā)了測控計算機軟件［7］，該系統(tǒng)具有很好的擴展性。

測試軟件是整個測試系統(tǒng)運行的中樞，在設(shè)計中采用了多線程技術(shù)，多線程是指操作系統(tǒng)支持一個進程中執(zhí)行多個線程的能力。多線程程序使用主線程創(chuàng)建、顯示并運行用戶界面，次線程運行其他需要間歇處理的任務(wù)［8］。

軟件含有完成不同功能的多個線程，將用戶界面作為主線程，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算分析、數(shù)據(jù)實時顯示作為次線程。由于舵機測試的不定時性，采用線程池來執(zhí)行次線程中的代碼。因此，在一段時間內(nèi)能并行完成更多任務(wù)，既加快了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，又提高了執(zhí)行效率［9］。

2.2.2 軟件功能及流程

根據(jù)系統(tǒng)測試需求，采用模塊化設(shè)計方法，軟件測試流程如圖2 所示。

圖2 軟件測試流程圖

軟件主要功能如下:

(1)系統(tǒng)自檢:對測控計算機硬件模塊的功能、通道配置情況及可用性進行測試，以確保系統(tǒng)在舵機測試時所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的有效性和可信性。

(2)測試信息設(shè)置模塊:設(shè)置舵機編號、測試溫度、濕度、測試人員與測試日期等信息。

(3)電源設(shè)置模塊:設(shè)置控制電源和功率電源的輸出電壓以及輸出保護電流等信息。

(4)舵機自檢模塊:完成舵機的自檢，包括上電自檢、地面自檢和發(fā)射自檢，初步對舵機的工作狀態(tài)進行判斷。

(5)性能測試模塊:軟件的核心部分，完成舵機空載和加載性能測試，測試項目有零位、角速度、穩(wěn)態(tài)誤差、頻率特性和時域特性等，在測試的同時，檢測加載力矩和舵軸轉(zhuǎn)角信號，對舵機的實際工作狀態(tài)進行判斷。為了便于研究舵機在特定條件下的工作特性，可以根據(jù)實際需求，任意設(shè)置舵控信號的類型、幅值、頻率和偏移。

(6)數(shù)據(jù)管理模塊:性能測試時將舵反饋曲線和測試結(jié)果進行顯示、記錄、保存和打印輸出。

3 氣動控制裝置設(shè)計

為了提高系統(tǒng)測試的自動化程度，設(shè)計了氣動控制裝置，為舵機的自動裝夾、裝夾卸載、力矩加載、力矩卸載以及力矩加卸載轉(zhuǎn)換提供動力，其原理圖如圖3 所示，由開關(guān)閥、調(diào)壓閥、安全閥、不銹鋼管與壓力表等組成。

圖3 氣動控制裝置原理圖

4 機械加載裝置設(shè)計

利用機械加載裝置模擬空中負載作用，實現(xiàn)對舵機的加載。該裝置可以實現(xiàn)舵機的自動裝夾、裝夾卸載、力矩加載、力矩卸載以及加卸載測試之間的自動轉(zhuǎn)換，同時輸出加載力矩和舵軸轉(zhuǎn)角信號。由裝夾平臺、加卸載轉(zhuǎn)換機構(gòu)、弓字彈性加載器、聯(lián)軸器、力矩測試單元和光電編碼器等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

(1)裝夾平臺:實現(xiàn)舵機的裝夾固定與定位調(diào)整，由舵機工藝底座、脹緊套、拉桿軸、位置開關(guān)、直線軸承和夾緊氣缸等組成。

(2)加卸載轉(zhuǎn)換機構(gòu):實現(xiàn)力矩加載與卸載之間的自動轉(zhuǎn)換，由氣缸、離合器、推力杠桿撥叉、行程開關(guān)和行程開關(guān)支架板等組成。

(3)弓字彈性加載器:舵機加載測試的加載剛度為2.3 N·m/(°)，精度為1%，同時溫箱體積有限，溫度變化范圍較大，傳統(tǒng)的一字加載器無法同時滿足這些要求，本文設(shè)計的小尺寸弓字彈性加載器，彈性桿選用45CrNiMoVA 材料，同時進行特殊的工藝處理，大大提高了材料的應(yīng)力特性。

圖4 機械加載裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該加載器由彈性桿、機架、主軸和聯(lián)接板等組成。每通道有4 組共16 根彈性桿，桿長120 mm，直徑5.6 mm，桿間距18 mm。加載測試時，彈性桿根部受力較大，將根部加粗，減少了應(yīng)力集中。

5 系統(tǒng)應(yīng)用與分析

系統(tǒng)設(shè)計完成后已被應(yīng)用于多型號導(dǎo)彈舵機的研制，某型舵機在高溫條件下的主要性能測試數(shù)據(jù)如表1 所示。其中，前3 項是在空載條件下的測試結(jié)果，其余均在加載條件下完成。

表1 舵機測試數(shù)據(jù)

6 結(jié) 論

基于LabWindows/CVI 的舵機溫度場測試系統(tǒng)可以滿足舵機高低溫加載測試的需要，能更真實地模擬導(dǎo)彈在空中的工作環(huán)境，在地面研制階段就能對舵機在空中的工作性能進行考核和驗證。舵機試驗表明:該系統(tǒng)性能優(yōu)越、工作可靠、操作方便、自動化程度高，可為舵機研制提供有力保障。

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