王晉安，蔡 寧，尤 棟，王 喆，張 敏

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

某國外引進(jìn)火炮裝備于大型主戰(zhàn)艦船上，用于執(zhí)行防空反導(dǎo)、對海作戰(zhàn)、對岸打擊等多種作戰(zhàn)任務(wù)。其控制系統(tǒng)采用射擊指揮系統(tǒng)集中式射擊控制和火炮分布式供輸彈控制相結(jié)合方式。射擊控制設(shè)備安裝于艙室內(nèi)，可完成自火炮彈藥準(zhǔn)備好以后的所有射擊相關(guān)操作和火炮狀態(tài)顯示。供輸彈操作控制設(shè)備分散在炮塔內(nèi)不同位置的3個獨(dú)立操作控制臺中，完成所有的彈藥準(zhǔn)備和機(jī)構(gòu)檢測工作。控制系統(tǒng)具有功能考慮全面，配置多個操作部位，適用于執(zhí)行不同任務(wù)等優(yōu)點。但其全部采用模擬控制技術(shù)，隨著服役年限的增加，逐漸暴露出線路老化、部分器件接近壽命、故障定位難、維修性差、可靠性低、性能降低等問題。

筆者對其控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，將采用操控設(shè)備分散式操作，信息、指令集中式管理，智能控制設(shè)備分布式控制的總體框架對原控制系統(tǒng)進(jìn)行國產(chǎn)化改造，以實現(xiàn)火炮的全自動控制。該控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，使控制關(guān)系簡潔清晰、運(yùn)行狀態(tài)便于監(jiān)測、故障診斷精確到位，可從根本上有效解決裝備保障工作中遇到的各類難題，徹底實現(xiàn)立足國內(nèi)的裝備全壽命保障，確保服役期內(nèi)的裝備戰(zhàn)備完好率。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計與工作原理

該控制系統(tǒng)是在原火炮控制流程和現(xiàn)代火炮控制理論基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)、成熟、可靠的嵌入式控制、PLC控制、智能終端、現(xiàn)場總線、大功率數(shù)字交流伺服和智能供配電等技術(shù)[1-3]，替代原老舊的模擬式、分立元件式、繼電器式的控制方式，對分散在火炮不同位置的火炮控制臺和3個操控終端分別操作，信息采集、信息處理、指令發(fā)送由火炮控制臺計算機(jī)集中式管理，采用智能控制設(shè)備分布式控制的總體框架，通過現(xiàn)場總線傳遞控制指令和設(shè)備狀態(tài)，完成不同的火炮任務(wù)，以實現(xiàn)火炮的全自動控制。

根據(jù)不同需要，火炮操作可以在火炮控制臺和局部操縱臺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上分別進(jìn)行。任何操作都會轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的操作指令通過現(xiàn)場總線發(fā)往火炮控制臺人機(jī)接口計算機(jī)，在其進(jìn)行集中式管理。人機(jī)接口計算機(jī)對火炮實時狀態(tài)信息進(jìn)行分析、判斷和決策，通過現(xiàn)場總線向智能控制設(shè)備發(fā)出控制指令。智能控制設(shè)備(上炮控控制器、下炮控控制器、瞄準(zhǔn)隨動系統(tǒng)、引信測合系統(tǒng)、供配電系統(tǒng))按照控制指令自主完成對應(yīng)的后續(xù)一系列控制，控制執(zhí)行部件完成相應(yīng)的機(jī)構(gòu)動作、火炮運(yùn)動、引信測合和供配電等工作。控制架構(gòu)原理框圖如圖1所示。

2 基本條件

要通過這個控制系統(tǒng)實現(xiàn)火炮的全自動控制，就要具備智能設(shè)備、多總線、精確定時這3個基本條件。

2.1 智能設(shè)備

智能設(shè)備是傳統(tǒng)電氣設(shè)備與計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、控制理論、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電力電子技術(shù)等相結(jié)合的產(chǎn)物[4]。每個智能設(shè)備都能通過接收到的控制指令經(jīng)判斷、處理后，按照預(yù)先設(shè)定的條件自主完成后續(xù)的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，并將設(shè)備的相關(guān)信息進(jìn)行反饋。

局部操縱臺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等操控終端通過現(xiàn)場總線連接到火炮控制臺人機(jī)接口計算機(jī)并與之交換操作請求和狀態(tài)信息。瞄準(zhǔn)隨動系統(tǒng)、引信測合系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、炮控控制器等智能控制設(shè)備通過現(xiàn)場總線連接到火炮控制臺人機(jī)接口計算機(jī)并與之交換控制指令和狀態(tài)信息，根據(jù)人機(jī)接口計算機(jī)發(fā)出的控制指令自主完成對相應(yīng)機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制、聯(lián)動和連鎖控制，此時人機(jī)接口計算機(jī)監(jiān)視其工作的進(jìn)展和影響，通過狀態(tài)管理確保其任務(wù)完成所需的資源保障和安全保障。

2.2 多總線

CAN總線因成本低廉、通信實時性好、糾錯能力強(qiáng)等優(yōu)點，共享了所有信息和資源，簡化了布線，能更好地匹配和協(xié)調(diào)各個控制系統(tǒng)，被越來越多的船舶節(jié)點自動化系統(tǒng)采用[5-6]。在充分考慮傳輸數(shù)據(jù)量及節(jié)點數(shù)量等條件，根據(jù)功能的不同，規(guī)劃為3條總線。

火炮控制臺人機(jī)接口計算機(jī)作為整個火炮控制的核心，同時也是各條總線的起點。CAN 1總線連接火炮控制臺、瞄準(zhǔn)隨動系統(tǒng)、引信測合系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)，完成對各個分系統(tǒng)的控制；CAN 2總線連接火炮控制臺和局部操縱臺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，完成各操控終端的操作請求發(fā)送和信息反饋；CAN 3總線連接火炮控制臺和上、下炮控控制器，完成機(jī)構(gòu)動作控制和傳感器信號采集。

3條獨(dú)立CAN總線數(shù)據(jù)傳輸采用CAN 2.0B總線網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備間采用串行連接的物理連接方式。由于分別連接CAN 2、CAN 3總線的兩端設(shè)備距離在150 m左右，為保證CAN總線上數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定傳輸，將波特率設(shè)置為250 Kb/s，單點采樣，采樣點值為87.5%。CAN總線物理連接圖如圖2所示。

2.3 精確定時

精確定時能夠保證各通信節(jié)點的數(shù)據(jù)信息及時、有效地傳遞，提高了總線上數(shù)據(jù)的規(guī)律性、穩(wěn)定性。

每個周期內(nèi)3條CAN總線上各節(jié)點設(shè)備按照時間要求依次發(fā)送數(shù)據(jù)，同一時刻只有一個設(shè)備在發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送采用周期性發(fā)送方式，頻率為50 Hz。在火炮控制臺中配置有控制系統(tǒng)定時管理設(shè)備，使用其時統(tǒng)信號作為時間基準(zhǔn)，向控制系統(tǒng)中的各有關(guān)節(jié)點提供20 ms的控制系統(tǒng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)采樣脈沖(時統(tǒng)信號)，各有關(guān)節(jié)點使用該脈沖進(jìn)行接口傳輸數(shù)據(jù)的鎖存、采樣，并作為接口傳輸和外推數(shù)據(jù)的對準(zhǔn)時刻，以及作為各有關(guān)節(jié)點新一周期的開始標(biāo)記。CAN總線節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送時序圖如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 分散式操作

控制系統(tǒng)共有4個操控設(shè)備，包括火炮控制臺、局部操縱臺Ⅰ、局部操縱臺Ⅱ和局部操縱臺Ⅲ，它們分散在火炮不同位置，能分別控制火炮執(zhí)行不同任務(wù)。操控設(shè)備分布圖如圖4所示。

火炮控制臺是標(biāo)準(zhǔn)的多功能顯控臺，通過3條CAN總線對外進(jìn)行信息交互。安裝于艦船的操作設(shè)備室，可完成對火炮的所有操作和所有狀態(tài)顯示，是整個控制系統(tǒng)的控制管理中心。

局部操縱臺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為3個可視化智能操控終端，通過CAN 2總線和火炮控制臺進(jìn)行信息交互。3個操縱臺分別安裝于炮塔上部、中部和下部，用于完成對應(yīng)火炮部位機(jī)構(gòu)的調(diào)試、檢查和維修。

3.2 集中式管理

智能控制設(shè)備發(fā)出的信息在火炮控制臺人機(jī)接口計算機(jī)上進(jìn)行集中采集，經(jīng)過分析、判斷后得出各個設(shè)備的實時狀態(tài)，再根據(jù)操控設(shè)備發(fā)出的操作請求決策出有效、可行的控制指令發(fā)送給智能控制設(shè)備，并將控制指令的執(zhí)行過程和結(jié)果經(jīng)人機(jī)接口計算機(jī)反饋給操控設(shè)備進(jìn)行處理和顯示。集中式管理流程圖如圖5所示。

火炮控制臺集中了所有操控終端的功能，可以進(jìn)行所有的操作?；鹋诳刂婆_具有向3個局部操縱臺分別授權(quán)和撤銷授權(quán)的權(quán)限，當(dāng)授權(quán)給局部操縱臺操作時，火炮控制臺操作無效。3個局部操縱臺中同時只有1個能被授權(quán)操作，且被授權(quán)后，也能將控制權(quán)還給火炮控制臺。控制權(quán)的轉(zhuǎn)移，就保證了操控設(shè)備的唯一性，同時也就保證了操作請求的唯一性。無控制權(quán)的設(shè)備只接收、顯示信息。

當(dāng)人機(jī)接口計算機(jī)收到操作請求后，通過分析、判斷瞄準(zhǔn)隨動系統(tǒng)、引信測合系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)和炮控控制器等反饋來的火炮實時狀態(tài)，進(jìn)行決策。如當(dāng)前狀態(tài)能夠滿足控制指令執(zhí)行條件，則執(zhí)行指令，并將執(zhí)行的過程和結(jié)果信息經(jīng)人機(jī)接口計算機(jī)反饋給操控設(shè)備處理和顯示；否則將不執(zhí)行。

火炮控制臺人機(jī)接口計算機(jī)作為集中式管理的核心，處理火炮運(yùn)行過程中的每一個信息和指令，保證了信息的集中，管理的集中。

3.3 分部式控制

智能控制設(shè)備按照火炮控制臺人機(jī)接口計算機(jī)發(fā)出的控制指令自主完成對應(yīng)的后續(xù)一系列控制，控制執(zhí)行部件完成相應(yīng)的機(jī)構(gòu)動作、火炮運(yùn)動、引信測合和供配電等工作，并將設(shè)備狀態(tài)、指令執(zhí)行過程和指令執(zhí)行結(jié)果經(jīng)人機(jī)接口計算機(jī)反饋給操控設(shè)備，供其分析數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)、信息顯示。分布式控制流程圖如圖6所示。

瞄準(zhǔn)隨動系統(tǒng)接收使能指令、射擊諸元和其他控制指令，控制火炮方位和高低瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使火炮身管指向射擊諸元規(guī)定方向，同時將瞄準(zhǔn)隨動系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)、限位、誤差、架位反饋等信息反饋給人機(jī)接口計算機(jī)。

引信測合系統(tǒng)接收使能指令、引信測合諸元和其他控制指令，控制引信測合機(jī)角度定位裝置旋轉(zhuǎn)到與引信測合時間成比例的位置上，同時將引信測合系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)、誤差等信息反饋給人機(jī)接口計算機(jī)。

供配電系統(tǒng)接收控制單體上電指令，控制供電

部件向指定設(shè)備供電，同時將供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)、供電參數(shù)等信息反饋給人機(jī)接口計算機(jī)。

控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)動作邏輯控制、時序控制、聯(lián)鎖控制在上、下炮控控制器里完成。通過接收控制指令，由炮控控制器自主完成機(jī)構(gòu)動作控制，并將動作過程、結(jié)果以及采集、處理的各傳感器信息反饋給人機(jī)接口計算機(jī)。

4 試驗驗證

改造后的控制系統(tǒng)經(jīng)鑒定試驗、射擊試驗驗證，能夠?qū)崿F(xiàn)火炮的全自動控制。火炮控制臺能夠一站式實現(xiàn)火炮的全面控制和狀態(tài)監(jiān)視，完成宏觀監(jiān)控控制功能；瞄準(zhǔn)隨動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)火炮的方向、高低運(yùn)轉(zhuǎn)功能，運(yùn)動速度、加速度、誤差等指標(biāo)高于原系統(tǒng)；引信測合系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)角度定位功能，運(yùn)動速度、加速度、誤差等指標(biāo)高于原系統(tǒng)；供配電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各單體供電功能，保證設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時穩(wěn)定工作；局部操縱臺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ能夠完全替代原操縱臺實現(xiàn)火炮的操作功能，新增的顯示屏虛擬顯示能更直觀地掌握火炮狀態(tài)；上、下炮控控制器能夠完全替代原繼電器的模擬控制模式，實現(xiàn)全數(shù)字化的機(jī)構(gòu)動作、邏輯控制。改造前后技術(shù)狀態(tài)對比如表1所示。

表1 改造前后技術(shù)狀態(tài)對比表

5 結(jié)束語

針對原射擊指揮系統(tǒng)集中式射擊控制和火炮分布式供輸彈控制相結(jié)合的控制方式進(jìn)行國產(chǎn)改造，采用操控設(shè)備分散式操作，信息、指令集中式管理，智能控制設(shè)備分布式控制的方式，既保留了原多點位操作的優(yōu)點，又延續(xù)了國內(nèi)火炮控制臺一站式操控的傳統(tǒng)。同時采用數(shù)字化控制和信息交互方式，使控制關(guān)系簡潔清晰、控制界面劃分明確、運(yùn)行狀態(tài)便于監(jiān)測、故障診斷精確到位，可從根本上有效解決裝備保障工作中遇到的各類難題，徹底實現(xiàn)立足國內(nèi)的裝備全壽命保障，確保服役期內(nèi)的裝備戰(zhàn)備完好率。

后期還可以根據(jù)不同需求進(jìn)行控制系統(tǒng)升級改造?；鹋诳刂婆_可增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點來接收上一級如雷達(dá)、光電的控制指令；采用高速總線技術(shù)來提高傳輸速率，擴(kuò)展控制節(jié)點；增加無人觀瞄分系統(tǒng)，擴(kuò)展操作通道；增加智能操控終端，滿足火炮不同部位機(jī)構(gòu)的調(diào)試、檢查和維修；增加炮控控制器，采集更多的傳感器信號，更好地控制火炮機(jī)構(gòu)動作。同時每個智能設(shè)備都能升級硬件，滿足更高的需求。