張萬(wàn)君，李靜陽(yáng),，吳曉穎，李國(guó)輝，魯益麟

(1.裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京 100072； 2.66459部隊(duì)，北京 102202)

坦克火控系統(tǒng)故障的時(shí)域相關(guān)虛擬檢測(cè)方法

張萬(wàn)君1，李靜陽(yáng)1,2，吳曉穎1，李國(guó)輝1，魯益麟2

(1.裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京 100072； 2.66459部隊(duì)，北京 102202)

針對(duì)精密的坦克火控系統(tǒng)信號(hào)復(fù)雜、部件模塊不易拆卸檢測(cè),以及信號(hào)波形故障不易檢測(cè)判別等難題，提出了基于LabVIEW的時(shí)域相關(guān)虛擬檢測(cè)方法。通過(guò)虛擬儀器設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)坦克火控系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備多樣復(fù)雜、不易攜帶、不便檢測(cè)等問(wèn)題；通過(guò)對(duì)火控系統(tǒng)檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)與正常信號(hào)的時(shí)域相關(guān)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了由相關(guān)系數(shù)識(shí)別信號(hào)波形失真等故障。最后，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)火控系統(tǒng)故障的有效檢測(cè)。

虛擬檢測(cè)； 時(shí)域相關(guān)； 坦克火控系統(tǒng)； 故障

坦克火控系統(tǒng)(亦稱火控)是指安裝在坦克內(nèi)，能使被控武器發(fā)揮最大效能的裝置。目前，傳統(tǒng)的坦克火控系統(tǒng)故障檢測(cè)方法仍采用針對(duì)各分系統(tǒng)、各模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)的專(zhuān)門(mén)檢測(cè)裝備，如觀瞄綜合測(cè)試儀、炮控性能檢測(cè)儀和電氣部件檢測(cè)儀等，還要配置示波器、萬(wàn)用表等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器[1]，如圖1所示，這里僅列出坦克火控系統(tǒng)故障專(zhuān)門(mén)檢測(cè)設(shè)備的一部分。之所以采用眾多的專(zhuān)門(mén)檢測(cè)設(shè)備，是因?yàn)榛鹂叵到y(tǒng)被測(cè)信號(hào)復(fù)雜、特性各異，如火控計(jì)算機(jī)除了需檢測(cè)彈道函數(shù)的初速、橫風(fēng)、藥溫和氣溫修正量等信號(hào)之外，還需檢測(cè)各控制信號(hào)、各傳感器信號(hào)等40余種。此外，對(duì)于不易拆卸的坦克火控系統(tǒng)各模塊以及狹小的空間環(huán)境，傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備顯得功能單一、笨重、多樣，攜帶、檢測(cè)均不方便。因此，傳統(tǒng)坦克火控系統(tǒng)故障檢測(cè)方法復(fù)雜，且不具備對(duì)信號(hào)波形失真等故障的分析判別能力[1]。

圖1 傳統(tǒng)坦克火控系統(tǒng)故障檢測(cè)方法

為此，筆者提出利用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)結(jié)合互相關(guān)算法，再通過(guò)火控系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)的多線程采集技術(shù)[2]，將數(shù)據(jù)采集裝置嵌入便攜電腦，整合火控系統(tǒng)各專(zhuān)門(mén)檢測(cè)設(shè)備于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)火控系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)的快速采集、波形信號(hào)的相關(guān)分析等功能。

1 火控系統(tǒng)故障的相關(guān)虛擬檢測(cè)方案

通過(guò)分析傳統(tǒng)火控系統(tǒng)故障的檢測(cè)原理、組成和性能等共性因素，筆者提出了基于LabVIEW的坦克火控系統(tǒng)故障的時(shí)域相關(guān)虛擬檢測(cè)方案，如圖2所示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)坦克火控系統(tǒng)性能參數(shù)、波形故障等的檢測(cè)。

圖2 坦克火控系統(tǒng)故障的時(shí)域相關(guān)虛擬檢測(cè)方案

依據(jù)坦克火控系統(tǒng)及其檢測(cè)設(shè)備原理，利用虛擬測(cè)試技術(shù)[3-5]將坦克火控系統(tǒng)按火控、炮控和觀瞄3個(gè)分系統(tǒng)劃分信號(hào)流，形成開(kāi)關(guān)信號(hào)、周期信號(hào)和脈沖信號(hào)等，通過(guò)30芯三通轉(zhuǎn)接口與信號(hào)調(diào)理模塊，由數(shù)據(jù)采集(Data AcQuisition,DAQ)設(shè)備和主控機(jī)構(gòu)建坦克火控系統(tǒng)的多線程故障數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，把采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)、波形信號(hào)等經(jīng)互相關(guān)算法處理后，再利用LabVIEW模擬火控系統(tǒng)的實(shí)際檢測(cè)設(shè)備，采用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的工作能力。

對(duì)坦克火控系統(tǒng)故障、性能參數(shù)的檢測(cè)，主要是首發(fā)命中率和射擊反應(yīng)時(shí)間。其中：射擊反應(yīng)時(shí)間由操作者技能和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間體現(xiàn)；首發(fā)命中率受火控系統(tǒng)各模型影響，包括解命中問(wèn)題方程組、外彈道方程組及修正量計(jì)算公式系等基本數(shù)學(xué)模型[6]。由于這些模型的建立與求解非常復(fù)雜，這里僅給出簡(jiǎn)化后的部分模型，如：解命中問(wèn)題方程組簡(jiǎn)化后為

(1)

式中：Δαm、Δβm分別為高低向、方位向提前量；ωα、ωβ分別為目標(biāo)高低向、方位向相對(duì)運(yùn)動(dòng)角速度，由火控系統(tǒng)的角速度傳感器測(cè)定；tf為彈丸飛行時(shí)間，由炮目距離D計(jì)算得到。

通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到外彈道逼近多項(xiàng)式，稱之為彈道函數(shù)，主要包括瞄準(zhǔn)角、飛行時(shí)間以及橫風(fēng)、藥溫、氣溫等修正量。如瞄準(zhǔn)角、橫風(fēng)修正量分別為

(2)

(3)

式中：W為風(fēng)速；ai為多項(xiàng)式系數(shù)。

根據(jù)火控系統(tǒng)模型，通過(guò)相應(yīng)檢測(cè)端口可獲取火控系統(tǒng)性能參數(shù)。由此，通過(guò)多線程數(shù)據(jù)采集[7]，以虛擬檢測(cè)替代多種專(zhuān)門(mén)檢測(cè)設(shè)備，用于檢測(cè)火控系統(tǒng)在給定參數(shù)及工況下的信號(hào)輸出，并通過(guò)虛擬儀器設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)火控信號(hào)的測(cè)量和顯示；以相關(guān)算法分析系統(tǒng)模塊實(shí)測(cè)輸出信號(hào)的極性、范圍及精度等，與正常信號(hào)對(duì)比分析二者之間的相關(guān)性，判別該實(shí)測(cè)信號(hào)是否存在故障，研究火控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。

2 火控系統(tǒng)故障檢測(cè)數(shù)字化相關(guān)算法

傳統(tǒng)火控系統(tǒng)故障檢測(cè)是對(duì)其技術(shù)指標(biāo)及傳感器精度等進(jìn)行測(cè)量，以定位故障；但對(duì)波形信號(hào)、動(dòng)態(tài)參數(shù)等不具備分析判斷功能，缺乏對(duì)火控系統(tǒng)性能動(dòng)態(tài)響應(yīng)及過(guò)渡性等故障的判別。為此，筆者采用波形信號(hào)時(shí)域互相關(guān)算法來(lái)解決這一問(wèn)題[8]。

依據(jù)隨機(jī)過(guò)程理論，如果火控系統(tǒng)實(shí)測(cè)信號(hào)為y(t)，正常信號(hào)為x(t)，則互相關(guān)函數(shù)

(4)

式中：T為觀測(cè)時(shí)間；τ為時(shí)延。

對(duì)式(1)進(jìn)行歸一化處理，得到互相關(guān)系數(shù)

[Rxy(τ)-μxμy]/(σxσy)，

(5)

式中：μx、μy和σx、σy分別為x、y的均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

時(shí)延τ能反映同一火控信號(hào)的現(xiàn)在值與過(guò)去值的關(guān)系，表明火控實(shí)測(cè)信號(hào)與正常信號(hào)之間的關(guān)系度或相似度，即過(guò)渡性,也可由過(guò)去值、現(xiàn)在值估計(jì)將來(lái)值[9]，以進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。Rxy(τ)是τ的實(shí)值函數(shù)，解算ρxy(τ)的實(shí)質(zhì)就是衡量實(shí)測(cè)信號(hào)與正常信號(hào)不同時(shí)刻的差別，即差函數(shù)

δ(t)=x(t)-k·y(t+τ)，

(6)

式中：k為同時(shí)刻實(shí)測(cè)信號(hào)與正常信號(hào)的比例系數(shù)。

(7)

(8)

式中：

(9)

其中，Rxx(0)、Ryy(0)分別為x(t)、y(t)的自相關(guān)系數(shù)。顯然，ρ1 xy(τ)越大，火控實(shí)測(cè)信號(hào)與正常信號(hào)波形越相似，發(fā)生故障的可能性越小，即二者相關(guān)性好，表示該實(shí)測(cè)信號(hào)正常，不存在故障。

為便于計(jì)算機(jī)解算ρ1xy(τ)，將式(9)離散化為

(10)

式中：m為離散化后的τ整數(shù)值；x(n)、y(n)分別為x(t)、y(t)的采樣長(zhǎng)度為N的時(shí)間序列。這樣，在火控系統(tǒng)故障檢測(cè)中，只要把正常信號(hào)序列x(n)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)，再取一定長(zhǎng)度的實(shí)測(cè)信號(hào)y(n)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，就可計(jì)算二者的相關(guān)系數(shù)。

3 火控系統(tǒng)故障的虛擬檢測(cè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)軟件，對(duì)坦克火控系統(tǒng)故障的檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行圖形化編程和虛擬檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)，主要包括3個(gè)方面：

1)根據(jù)火控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，建立火控系統(tǒng)各檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)的實(shí)測(cè)波形函數(shù)分析庫(kù)；

2)建立火控系統(tǒng)各檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)正常波形的離散數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)，以方便程序調(diào)用；

3)設(shè)計(jì)時(shí)域相關(guān)虛擬檢測(cè)儀器，以實(shí)現(xiàn)各種波形參數(shù)的檢測(cè)、控制、顯示及測(cè)試結(jié)果輸出，如相關(guān)函數(shù)、相關(guān)系數(shù)、均值和方差等。

圖3為火控系統(tǒng)故障的時(shí)域相關(guān)虛擬檢測(cè)主程序。火控系統(tǒng)的實(shí)測(cè)波形采用多線程數(shù)據(jù)采集方法獲??；正常波形數(shù)據(jù)庫(kù)依據(jù)火控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型得到；采用圖形化編程方式對(duì)火控系統(tǒng)虛擬檢測(cè)儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)，以比較直觀的圖形化窗口及各類(lèi)控件圖標(biāo)等進(jìn)行編譯。這種設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、直觀，有利于火控系統(tǒng)故障檢測(cè)的虛擬儀器設(shè)計(jì)與調(diào)試，更方便波形參數(shù)的檢測(cè)與分析。火控系統(tǒng)故障的時(shí)域相關(guān)虛擬檢測(cè)分析界面如圖4所示。

圖3 火控系統(tǒng)故障的時(shí)域相關(guān)虛擬檢測(cè)主程序

由圖4的圖形化控件“分析”按鈕，可實(shí)現(xiàn)對(duì)火控系統(tǒng)某實(shí)測(cè)波形與正常波形的相關(guān)運(yùn)算，并在圖形化窗口進(jìn)行相關(guān)函數(shù)等波形顯示，根據(jù)相關(guān)系數(shù)大小來(lái)判斷火控系統(tǒng)是否存在故障。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證火控系統(tǒng)故障相關(guān)虛擬檢測(cè)的可行性，以坦克火控系統(tǒng)火炮耳軸角速度傳感器輸出信號(hào)為研究對(duì)象，進(jìn)行相關(guān)虛擬檢測(cè)的故障分析實(shí)驗(yàn)。

在坦克武器射擊時(shí)，往往不能處在平坦地形上，火炮耳軸會(huì)有一定側(cè)傾角度ψ，造成距離和方向上的偏差，因此必須對(duì)耳軸側(cè)傾誤差進(jìn)行修正。

火控系統(tǒng)就是依據(jù)初始高低角α0、方向修正量β0和側(cè)傾角ψ來(lái)計(jì)算因耳軸側(cè)傾而造成的修正量Δα0、Δβ0[3]，于是，建立其數(shù)學(xué)模型為

(11)

由式(11)可建立正常波形數(shù)據(jù)庫(kù)，但為了便于實(shí)驗(yàn)研究且不失一般性，在實(shí)驗(yàn)中，將初始方向修正量β0或高低角α0設(shè)為0，則火炮耳軸角速度傳感器輸出信號(hào)近似為正弦波，與標(biāo)準(zhǔn)正弦波進(jìn)行相關(guān)比較，即可得到火炮耳軸角速度傳感器故障情況。

首先通過(guò)30芯轉(zhuǎn)接口接入火炮耳軸角速度傳感器輸出端，進(jìn)入火控系統(tǒng)故障的時(shí)域相關(guān)虛擬檢測(cè)程序，點(diǎn)擊虛擬檢測(cè)儀面板上的開(kāi)關(guān)按鈕，當(dāng)開(kāi)關(guān)綠色燈亮起時(shí)，代表火控信號(hào)檢測(cè)與診斷軟件的主程序開(kāi)始工作，然后由測(cè)試通道選擇相應(yīng)的正弦波相關(guān)參數(shù)，生成正常信號(hào)，再通過(guò)設(shè)置虛擬控制面板的信號(hào)檢測(cè)選擇開(kāi)關(guān)，對(duì)火炮耳軸角速度傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并與正常信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。

在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)對(duì)輸入角度信號(hào)不施加噪聲時(shí)，其輸出端波形與正常信號(hào)極為相似，相關(guān)系數(shù)為0.99，系統(tǒng)工作正常。當(dāng)對(duì)輸入角度信號(hào)施加弱噪聲時(shí)，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，此時(shí)相關(guān)系數(shù)在0.8～1之間，系統(tǒng)仍能正常工作。當(dāng)對(duì)輸入角度信號(hào)施加強(qiáng)噪聲時(shí)，檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，此時(shí)相關(guān)系數(shù)小于0.8，系統(tǒng)工作不正常。

圖5 對(duì)輸入角度信號(hào)施加弱噪聲的檢測(cè)結(jié)果

圖6 對(duì)輸入角度信號(hào)施加強(qiáng)噪聲的檢測(cè)結(jié)果

可見(jiàn)：通過(guò)對(duì)火控系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)波形參數(shù)故障的診斷。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)坦克火控系統(tǒng)輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)建模以及對(duì)故障檢測(cè)信號(hào)的時(shí)域相關(guān)分析，可對(duì)火控系統(tǒng)輸出波形參數(shù)進(jìn)行分析判斷，再通過(guò)LabVIEW平臺(tái)直觀反映火控信號(hào)是否失真，從而判斷是否存在故障。該方法具有快速存儲(chǔ)、智能分析處理，以及設(shè)備低廉、靈巧、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，不失為坦克火控系統(tǒng)故障檢測(cè)的一個(gè)發(fā)展方向。若將該方法與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，還可實(shí)現(xiàn)火控信號(hào)的遠(yuǎn)程采集，甚至可對(duì)遠(yuǎn)程的坦克火控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)云處理、云運(yùn)算，實(shí)時(shí)監(jiān)控每一輛坦克火控系統(tǒng)的工況。

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Time Domain Correlation Virtual Test Method of Fault forTank Fire Control System

ZHANG Wan-jun1,LI Jing-yang1,2,WU Xiao-ying1,LI Guo-hui1,LU Yi-lin2

(1.Department of Arms Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China；2.Troop No.66459 of PLA,Beijing 102202,China)

To solve the problems that the signal is complex,it is hard to dismount and detect the parts module,and difficult to check and recognize the signal waveform fault for the precise tank fire control system,time domain correlation virtual test method based on LabVIEW is proposed.By the virtual instrument design,the problems that the test equipment of the conventional tank fire control system is diverse and complex,and hard to carry and detect are solved.And then by the time domain correlation computation for the signal of the tank fire control system checkpoint and the normal signal,such faults as signal waveform distortion are distinguished by correlation coefficient.The method is verified by the simulation experiments,and the results show that the method is effective.

virtual test; time domain correlation; tank fire control system; fault

1672-1497(2017)01-0070-04

2016-11-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61174219; 51677192)

張萬(wàn)君(1965-)，男，教授，博士。

TP206+.3

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.015