动态训练模拟器液压控制装置系统

摘要：以美国主站坦克M1A1的运动性能为目标，阐述了一种坦克兵动态训练模拟器液压控制部分的设计流程。该模拟器采用嵌入式控制器控制液压系统，克服了模拟控制系统难以保证长期可靠运行的缺点，也克服了一般数字控制系统难以保证三路油缸运动的实时性和同步性的缺点，且比一般的三自由度复杂运算控制器的体积小。实用效果表明，该训练模拟器操作简便，运行稳定，较好地满足了坦克兵模拟动态训练的要求。这里研制的数字液压控制装置系统给其他类型的动态模拟训练器的研究提供了参考。
关键词：坦克兵动态训练模拟器；嵌入式控制系统；液压控制；实时控制

0 引言
长期以来，坦克手的培训都是利用真实的坦克和场地进行的，这样的训练尽管具有实地演练优势，但是坦克行进路线和路况少，耗油量大。坦克兵动态训练模拟器正是为了弥补实地演练的一些缺点，辅助培训坦克驾驶员而设计的。本文以美国战后第三代主站坦克M1A1艾布拉姆斯坦克为目标，介绍了一种坦克兵动态训练模拟器液压控制部分的设计流程。为了增加模拟训练的真实感，模拟器采用高性能嵌入式控制系统实现液压系统的控制，增加训练模拟器的动作实时性和地面多种行驶姿态，并利用三个液压缸支撑一个平面的设计，形成三自由度的运动姿态模拟。
模拟训练器的液压伺服系统如果采用模拟系统，其响应快，但由于参数调整非常难，自适应性差，以及参数漂移等问题使得模拟系统难以保证长期可靠运行。用数字系统代替模拟系统的难点在于三路油缸的实时和同步控制。本文设计了一种嵌入式控制器——嵌入式平板电脑ZY-100作为人机界面和控制器，以期实现液压伺服系统的可靠性和实时性要求。三自由度控制的复杂运算采用烟台中宇航空液压有限公司的嵌入式控制器完成，实现计算机、PLC和触摸屏显三合一，这样使集成化高、连线少、体积小、厚度只有20 cm，而一般的三自由度控制器都比较厚，虽然嵌入式液压控制研究已有许多在国内外公开发表的文章，但具有如此小体积、高集成化、三自由度复杂运算的控制器在国内期刊上鲜见发表。

1 动态训练模拟器的工作原理
坦克兵动态训练模拟器液压部分是由三个液压伺服缸支撑一个平面，使其能形成三自由度的运动，以模拟坦克在不同的地面上的行驶姿态。其中，三个油缸的运动轨迹由用户在人机界面预先设置，计算机产生三路数字电压信号，分别经过D／A变换、放大，转换成电流信号去控制三个伺服阀的开度和方向，从而独立控制三个油缸的运动方向和速度，使底部的三路油缸控制顶部平台做三自由度的运动。为了能够正确调整油缸的移动，通过与油缸相连的位移传感器的反馈信号构成各自由度位置闭环控制，将油缸位移电压信号与计算机输出信号比较，然后根据差值信号，纠正油缸移动的实际位置。因此，位移传感器输出的是负反馈信号。本文计算机经D／A转换后的输出电压为0～10 V。开路状态下，D／A转换后的输出电压0～10 V对应油缸移动距离0～200 ms，且D／A输出与油缸移动距离成正比；位移传感器的输出为0～10 V，对应油缸0～200ms的移动距离，且与油缸移动距离成正比。
为保证油的顺利流动和油泵的正常工作，在油箱里油泵到油缸的通道中设置了人工控制溢流阀。溢流阀中的油压及油泵中的液位将通过压力传感器和液位传感器送到计算机实时监控。如果发现油压过高或过低，通过旋转溢流阀开关，可以改变输油管管口的大小，调整油压，使油压满足正常工作要求。如果液面过低，计算机将产生报警信号，同时送出关机信号，关掉油泵驱动电机。
另外，油温的范围也会影响油泵的正常工作，系统通过油箱中的温度传感器提取温度信号，并送计算机处理；当油温较高时，系统将输入冷水使油降温；如果油温超过一定温度，计算机将报警。当油温较低时，停止送水。
整个系统的原理框图如图1所示。