任彥朋

(中國人民解放軍91640部隊， 廣東 湛江 524064)

0 引 言

某型艦載對空導彈是實現(xiàn)對空目標精確制導攻擊的艦載對空制導導彈，上艦裝載是實現(xiàn)該型艦載對空導彈發(fā)射準備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了提高艦載對空導彈上艦裝載的智能性，需要對該型導彈的裝載系統(tǒng)進行智能控制設(shè)計，結(jié)合人工智能控制算法和控制系統(tǒng)的集成設(shè)計，提高艦載對空導彈的自動裝載的智能性和穩(wěn)定性，從而提高艦載對空導彈的裝載效率，研究艦載對空導彈的上艦裝載的自動控制系統(tǒng)，對提高導彈部隊的技術(shù)保障能力方面具有重要意義，從而提升導彈技術(shù)準備過程的效率[1]。

當前，對艦載對空導彈的上艦裝載采用人工吊裝和機械臂吊裝結(jié)合的方式，受到裝載環(huán)境因素和導彈位姿的不確定擾動等因素的影響，導致裝載控制的穩(wěn)定性不好[2]。傳統(tǒng)方法對艦載對空導彈的自動裝載優(yōu)化控制方法采用正反向旋轉(zhuǎn)雙軸調(diào)節(jié)方法，結(jié)合裝載機械臂的模糊控制律進行自動裝載設(shè)計，提高了裝載過程的穩(wěn)定性，然而，隨著不確定擾動因素的增強，導致艦載對空導彈的自動裝載的穩(wěn)態(tài)輸出控制性能不好，為了提高艦載對空導彈的自動裝載的輸出平穩(wěn)性，進行艦載對空導彈的自動裝載優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，提出一種基于模糊PID和嵌入式集成控制的艦載對空導彈的自動裝載控制設(shè)計方法。設(shè)計的艦載對空導彈的自動裝載控制系統(tǒng)分為吊裝力學參數(shù)計算模塊、總線集成控制模塊、機械臂輸出控制模塊、人機交互模塊，采用嵌入式的ARM和擴展總線技術(shù)進行人工智能環(huán)境下的艦載對空導彈的自動裝載控制指令傳輸和信息調(diào)度，采用模糊PID控制算法進行艦載對空導彈的自動裝載控制算法優(yōu)化設(shè)計?；谇度胧降腁RM和DSP智能信息處理芯片，進行系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計，最后進行實驗測試分析，展示了本文方法在提高艦載對空導彈的自動裝載控制穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性能。

1 艦載對空導彈的自動裝載控制算法

1.1 控制原理和力學參數(shù)分析

為了實現(xiàn)對艦載對空導彈的自動裝載控制系統(tǒng)設(shè)計，首先進行自動裝載裝置控制算法設(shè)計，結(jié)合模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制進行裝載過程的人工智能控制[3]，模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 導彈裝載的模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

Fig.1FuzzyPIDneuralnetworksystemstructuremodelformissileloading

在圖1所示的艦載對空導彈的自動裝載性能控制的模糊PID控制模型中，導彈的自動裝載的控制節(jié)點通過力學參數(shù)估計，進行裝載過程中的助力調(diào)節(jié)，提高裝載過程的穩(wěn)定性，到PID網(wǎng)絡(luò)在輸入層，輸入導彈的自動裝載的力學參量，通過自適應加權(quán)控制方法進行模糊PID控制的強度調(diào)節(jié)，在輸出層輸出最優(yōu)的艦載對空導彈的自動裝載控制參數(shù)[4]，根據(jù)上述算法設(shè)計原理，得到輸入到自動裝載裝置的力學參數(shù)為：

(1)

其中,Nk是k層的模糊PID控制的導彈裝載助力學傳感器信息采集點數(shù)。在固定采樣周期下，采用自適應模糊控制方法，得到輸出層的導彈裝載助力參量自適應加權(quán)系數(shù)為：

(2)

此時，在PID的隱層采用自適應加權(quán)控制方法進行艦載對空導彈的自動裝載的輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，學習系數(shù)表示為：

(3)

自動裝載裝置自適應調(diào)節(jié)的權(quán)值經(jīng)過閾值加權(quán)和反饋修正后，得到艦載對空導彈的自動裝載的慣性力矩和吊裝設(shè)備的輸出轉(zhuǎn)矩為：

(4)

(5)

(6)

bi=bi+Δbi

(7)

不斷重復上述迭代，直到誤差到達預設(shè)值，停止學習計算，進行艦載對空導彈的自動裝載的位姿調(diào)節(jié)和自適應控制[5]。

1.2 控制律的優(yōu)化

根據(jù)模糊PID控制過程的力學參數(shù)分析結(jié)果，結(jié)合導彈裝載的位姿參數(shù)解算模型，進行艦載對空導彈的自動裝載的機械助力裝載的力學模型構(gòu)建[6]，得到助力裝置的運動動能T和勢能V分別描述為：

(8)

V=MPgLcosθP

(9)

采用位姿參量自適應反饋調(diào)節(jié)方法，進行導彈裝載助力學傳感信息的融合跟蹤識別[7]，在零勢能面得到艦載對空導彈的自動裝載控制的自適應運動學方程為：

(10)

在6自由度空間內(nèi)進行導彈的位姿慣性參數(shù)調(diào)節(jié)，在受到小擾動力矩作用下，得到最優(yōu)位姿參數(shù)解算方程為：

(11)

利用自適應PID模糊跟蹤學習方法，進行導彈裝載過程中的位形和姿態(tài)跟蹤，得到微小調(diào)節(jié)誤差分布為：

(12)

采用慣性參量融合方法實時跟蹤導彈裝載的力學參數(shù)和末端位姿，構(gòu)建時滯2自由度控制模型為：

(13)

以導彈裝載過程中的輸出力矩和轉(zhuǎn)向力矩為被控對象，結(jié)合模糊PID控制和Lyapunov穩(wěn)定性調(diào)節(jié)技術(shù)，實現(xiàn)對艦載對空導彈的自動裝載的控制律優(yōu)化設(shè)計。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

在上述算法設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行艦載對空導彈的自動裝載控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，構(gòu)建模糊控制約束參量模型，對艦載對空導彈的自動裝載的自動裝載裝置控制系統(tǒng)進行硬件開發(fā)，設(shè)計的艦載對空導彈的自動裝載控制系統(tǒng)分為吊裝力學參數(shù)計算模塊、總線集成控制模塊、機械臂輸出控制模塊、人機交互模塊，采用嵌入式的ARM和擴展總線技術(shù)進行人工智能環(huán)境下的艦載對空導彈的自動裝載控制指令傳輸和信息調(diào)度[8]，對各個功能模塊的開發(fā)設(shè)計描述如下：

(1)吊裝力學參數(shù)計算模塊。吊裝力學參數(shù)計算模塊采用AD采樣方法進行力學參數(shù)采集和計算，結(jié)合信息融合跟蹤和多傳感器智能識別方法，進行力學參數(shù)分析，提高對導彈裝載過程中的智能控制能力。采用D/A轉(zhuǎn)換器輸出艦載對空導彈的自動裝載性能測試信息，在物理鏈路層中負責提供PCI總線接口，實現(xiàn)對艦載對空導彈的自動裝載的信息檢測。AD模塊采用DS18B20作為外圍器，采用32位嵌入式采樣技術(shù)進行力學參數(shù)分析，得到模塊電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 吊裝力學參數(shù)計算AD模塊

Fig.2ADmoduleforcalculatingmechanicalparametersofhoisting

(2)總線集成控制模塊。總線集成控制模塊采用VIX總線控制技術(shù)，根據(jù)ARM嵌入式控制芯片進行艦載對空導彈的自動裝載的模糊PID控制和自動裝載裝置狀態(tài)信息采集，在主機模塊中進行集成信息處理，結(jié)合ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進行硬件接口設(shè)計，設(shè)計一個計數(shù)器模塊，進行艦載對空導彈的自動裝載控制系統(tǒng)的時鐘中斷控制，總線集成控制模塊電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 總線集成控制模塊電路設(shè)計

(3)機械臂輸出控制模塊。機械臂輸出控制模塊是整個自動控制系統(tǒng)的核心，通過浮點DSP拷貝艦載對空導彈的自動裝載控制指令到RAM緩沖區(qū)，采用VXI系統(tǒng)總線發(fā)送數(shù)據(jù)到主控計算機，采用4片AD8582的進行AD采樣和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制，利用DAVICOM公司的DM9000網(wǎng)絡(luò)模塊進行導彈自動裝載界面的射頻接口設(shè)計，得到機械臂輸出控制模塊電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 機械臂輸出控制模塊

(4)人機交互模塊。人機交互模塊采用TMS320 VC5509A作為DSP智能信息處理終端，結(jié)合6線同步串口總線控制技術(shù)進行人機交互設(shè)計，采用嵌入式的ARM和擴展總線技術(shù)進行人工智能環(huán)境下的艦載對空導彈的自動裝載控制指令傳輸和自適應調(diào)度，用DSP進行多通道的信息接口設(shè)計，在信息界面的人機交互液晶現(xiàn)實中，以Vout作為導彈自動裝載控制系統(tǒng)的驅(qū)動電壓輸出終端，采用MVB集成控制方法，實現(xiàn)自動裝載控制系統(tǒng)的可編程邏輯控制，綜上分析，得到本文設(shè)計的艦載對空導彈的自動裝載控制的人機交互模塊電路設(shè)計如圖5所示。

根據(jù)上述對導彈自動裝載界面和信息系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計，在PLC 邏輯可編程環(huán)境下，通過集成電路和軟件開發(fā)方法，實現(xiàn)對艦載對空導彈的自動裝載控制系統(tǒng)的集成設(shè)計和開發(fā)。

圖5 人機交互模塊接口電路設(shè)計

Fig.5Interfacecircuitdesignofman-machineinteractionmodule

3 實驗測試分析

為了驗證本文設(shè)計系統(tǒng)在實現(xiàn)艦載對空導彈的自動裝載性能優(yōu)化中的應用性，進行仿真實驗，實驗中控制算法設(shè)計采用Matlab 7 實現(xiàn)，艦載對空導彈的自動裝載的自動裝載裝置模式設(shè)定為SPI和PSI2種工況模式，對導彈裝載的位姿和力學參數(shù)數(shù)據(jù)采集采用4路隔離，16路差分AD采樣方法，采用8路TTL進行力學參數(shù)的總線傳輸控制，結(jié)合32位的傳感器進行控制參量采集和信息融合，通過TTL、RS232、RS422、RS485、USB、CAN、以太網(wǎng)、LVDS、1553B等接口進行數(shù)字接收，系統(tǒng)采用2個14位模擬輸入通道進行控制指令輸入，配有雙通道100MS/s同時采樣功能，導彈裝載的控制指令通過AC、DC耦合，最大可組合成4通道，根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)定，進行控制系統(tǒng)測試，得到控制性能曲線輸出如圖6所示，位姿控制誤差對比見表1。分析上述仿真結(jié)果得知，采用本文方法進行艦空導彈的自動裝載控制的輸出穩(wěn)定性較好、誤差較低、性能優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

圖6 艦空導彈的自動裝載控制性能測試

Fig.6Automaticloadingcontrolperformancetestofship-to-airmissile

表1 裝載位姿調(diào)節(jié)誤差

4 結(jié)束語

對艦空導彈的裝載系統(tǒng)進行智能控制設(shè)計，結(jié)合人工智能控制算法和控制系統(tǒng)的集成設(shè)計，提高艦載對空導彈的自動裝載的智能性和穩(wěn)定性，從而提高艦載對空導彈的裝載效率，本文提出一種基于模糊PID和嵌入式集成控制的艦載對空導彈的自動裝載控制設(shè)計方法。設(shè)計的艦載對空導彈的自動裝載控制系統(tǒng)分為吊裝力學參數(shù)計算模塊、總線集成控制模塊、機械臂輸出控制模塊、人機交互模塊，采用嵌入式的ARM和擴展總線技術(shù)進行人工智能環(huán)境下的艦載對空導彈的自動裝載控制指令傳輸和信息調(diào)度，采用模糊PID控制算法進行艦載對空導彈的自動裝載控制算法優(yōu)化設(shè)計?；谇度胧降腁RM和DSP智能信息處理芯片，進行系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計。研究得知，本文方法進行艦載對空導彈的自動裝載控制的穩(wěn)定性較好、裝載位姿調(diào)節(jié)誤差較小、滿足設(shè)計指標。