某型火炮平衡机气压自动调整系统设计与实现

摘要：本文根据部队对装备进行维护和保养的具体需求，研制了火炮平衡机气压自动调整系统。能够实现平衡机气压调整的自动操作，平衡机气压越限报警，以及任意射角情况下进行平衡机自动充、放气操作等功能。基于PLC的计算机控制、通讯技术，传感器技术，气压传动技术;软件采用了基于神经网络建模，模糊组合逻辑控制，数字信号处理等先进技术。该系统可大幅度减轻操作人员和保障人员的工作强度，提高安全可靠性，保证装备器材的安全使用。

引言

　　在某型火炮的野战训练和维护保养过程中，经常会遇到平衡机的内部气压由于天气等因素的影响发生骤然变化，过高或过低的气压造成操作上的困难。因此，需要不断地用机械方法调整平衡机气压。这种采用人工操作，频繁的调整平衡机气压的方式不仅容易损坏装备而且影响正常训练，同时也难以保证调整精度。

　　该平衡机气压自动调整系统是一套由微机控制的自动调整系统，通过对火炮射角及平衡机内气体压力变化的监测，由PLC产生控制信号，对平衡机进行充、放气控制，从而消除故障。该系统代替了目前平衡机充、放气以及调整机构的人工操作，具有调整精度高、操作速度快、使用简便安全的特点，为自行火炮的快速瞄准、快速反应提供了重要保障。

1 系统组成与原理

1.1 系统组成

　　“某型火炮平衡机气压自动调整系统”由气动执行子系统、控制决策子系统和参数设定及显示子系统组成，总体设计方案如图1所示。

1.2 工作原理

　　系统采用PLC控制技术，根据输入的火炮射角和气压传感器反馈的压力信号计算控制量，并接通充、放气的控制电路。当系统处于非工作状态时(行军过程、射击过程)，系统关闭不进行充、放气操作;当系统处于工作状态时(平衡机气压检测)，由射角—气压数学模型计算得到理想压力值，并和测量得到的实际压力值进行比较，基于模糊组合逻辑算法产生控制信号，通过电磁力的作用使换向阀工作，打开相应的通路，由气源向平衡机进行充气或由平衡机放气。与此同时，相应的充、放气指示灯点亮，并在显示屏幕上显示当前的火炮射角和平衡机内的气压值。

1.3 系统硬件

　　硬件由气动部分、控制部分、显示部分和连接部分组成。

　　气动部分主要由电磁阀、单向阀、三通件、消音器和高压钢管组成。电磁阀作为充气、放气操作的执行元件，接受PLC控制;单向阀防止充气阀被加上反向压差，起保护作用;三通件连接各支路气路;消音器减小放气时的噪音;高压钢管连接各气动元件。

　　控制部分主要由PLC、A/D转换模块和压力传感器组成。PLC根据压力传感器产生的反馈信号，计算开关控制量;A/D转换模块将压力传感器产生的模拟信号转换成PLC可处理的数字信号;压力传感器实时测量平衡机内气体压力值。

　　显示部分主要由液晶显示屏、功能按键、操作指示灯和电源开关组成。液晶显示屏工作时带有绿色背光，用以显示传感器测量得到的气体压力值和由键盘输入的火炮射角;功能按键用以设定控制参数，火炮射角数值的输入，以及手动开、关阀的控制;操作指示灯共有三个指示灯——报警灯(红色)、充气灯(绿色)和放气灯(绿色)，用以指示系统当前的工作状态;电源开关用以接通、断开系统电路。

　　连接部分主要由高压胶管和快换接头组成。高压胶管共有两根，为3米长，用以将系统与平衡机和气源相连接;快换接头用以快速的将高压胶管与系统插接。

1.4 系统软件

　　系统软件部分主要由主控模块、显示模块和控制模块组成。

　　主控模块采用西门子公司生产的PLC CPU 226作为控制器，具有可靠性高、抗干扰能力强、便于维护等显著优点。其程序设计在其编程运行环境STEP-7下可用国际通用的梯形图语言，编译通过后用PPI电缆下载到PLC。该模块可以实现开机后系统自检;对当前平衡机内气体压力进行采样，并做均值滤波;根据进程依次调用其它程序模块。

　　显示模块可分为屏幕显示和指示灯显示。屏幕显示用于显示当前平衡机内气体压力值，当前火炮身管的射角输入值;指示灯显示用于显示系统当前的工作状态，如系统故障报警、系统充气和系统放气。

　　控制模块可分为键盘控制和控制程序。键盘控制用于对功能键进行识别，并做出相应的反应，例如电磁阀的手动开、关。控制程序用于根据压力传感器的反馈信号，以及由射角—压力数学模型得到的理想压力值(目标压力值)计算开关控制量，以驱动相应的电磁阀工作。

1.5 射角—压力数学模型建立

　　为了实现火炮身管在任意射角情况下，都能够进行平衡机自动充、放气操作，建立了射角—压力映射关系的数学模型。

　　平衡机由于活塞和管壁存在强烈的摩擦，以及机筒内弹簧调整机构的作用，使之呈现出强烈的非线性。采用解析建模的方法无法建立准确的数学模型，为此我们采用基于输入—输出数据的系统辨识的方法建立射角—压力映射关系的数学模型。

　　在某型火炮上进行实验，采集了身管全射角范围内，每隔0-15密位所对应的平衡机气压压力值。辨识算法采用基于L—M学习规则的BP神经网络，模型采用具有5个隐节点的2层单输入单输出网络结构。设定误差目标值为0.05，经过38步迭代计算，误差值收敛到0.047116。

　　令μ为射角输入，y为压力输出，W1、b1为输入层到隐层的权值和阈值，W2、b2为隐层到输出层的权值和阈值。建立了射角—压力映射关系的数学模型：

　　其中：

，

　， b2=18.388

　　最终，得到模型输出曲线和实际采样的离散值。有了上述模型，就可计算得到火炮身管在任意射角下平衡机内气体的理想压力值。

2 结论

　　“平衡机自动调整系统”的研制解决了上述问题，实现了平衡机气压调整的自动操作，平衡机气压越限报警，以及任意射角情况下进行平衡机自动充、放气操作等功能。经过部队试验性使用，使部队彻底摆脱了以往平衡机充、放气操作对火炮射角及操作环境的依赖，不需各方面复杂的技术和物资保障，且使用方便，不仅缩短了操作时间，而且提高了调整精确度。

参考文献：

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本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第2期第68页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。