摘要：本文根據部隊對裝備進行維護和保養的具體需求，研制了火炮平衡機氣壓自動調整系統。能夠實現平衡機氣壓調整的自動操作，平衡機氣壓越限報警，以及任意射角情況下進行平衡機自動充、放氣操作等功能。基于PLC的計算機控制、通訊技術，傳感器技術，氣壓傳動技術;軟件采用了基于神經網絡建模，模糊組合邏輯控制，數字信號處理等先進技術。該系統可大幅度減輕操作人員和保障人員的工作強度，提高安全可靠性，保證裝備器材的安全使用。

引言

　　在某型火炮的野戰訓練和維護保養過程中，經常會遇到平衡機的內部氣壓由于天氣等因素的影響發生驟然變化，過高或過低的氣壓造成操作上的困難。因此，需要不斷地用機械方法調整平衡機氣壓。這種采用人工操作，頻繁的調整平衡機氣壓的方式不僅容易損壞裝備而且影響正常訓練，同時也難以保證調整精度。

　　該平衡機氣壓自動調整系統是一套由微機控制的自動調整系統，通過對火炮射角及平衡機內氣體壓力變化的監測，由PLC產生控制信號，對平衡機進行充、放氣控制，從而消除故障。該系統代替了目前平衡機充、放氣以及調整機構的人工操作，具有調整精度高、操作速度快、使用簡便安全的特點，為自行火炮的快速瞄準、快速反應提供了重要保障。

1 系統組成與原理

1.1 系統組成

　　“某型火炮平衡機氣壓自動調整系統”由氣動執行子系統、控制決策子系統和參數設定及顯示子系統組成，總體設計方案如圖1所示。

1.2 工作原理

　　系統采用PLC控制技術，根據輸入的火炮射角和氣壓傳感器反饋的壓力信號計算控制量，并接通充、放氣的控制電路。當系統處于非工作狀態時(行軍過程、射擊過程)，系統關閉不進行充、放氣操作;當系統處于工作狀態時(平衡機氣壓檢測)，由射角—氣壓數學模型計算得到理想壓力值，并和測量得到的實際壓力值進行比較，基于模糊組合邏輯算法產生控制信號，通過電磁力的作用使換向閥工作，打開相應的通路，由氣源向平衡機進行充氣或由平衡機放氣。與此同時，相應的充、放氣指示燈點亮，并在顯示屏幕上顯示當前的火炮射角和平衡機內的氣壓值。

1.3 系統硬件

　　硬件由氣動部分、控制部分、顯示部分和連接部分組成。

　　氣動部分主要由電磁閥、單向閥、三通件、消音器和高壓鋼管組成。電磁閥作為充氣、放氣操作的執行元件，接受PLC控制;單向閥防止充氣閥被加上反向壓差，起保護作用;三通件連接各支路氣路;消音器減小放氣時的噪音;高壓鋼管連接各氣動元件。

　　控制部分主要由PLC、A/D轉換模塊和壓力傳感器組成。PLC根據壓力傳感器產生的反饋信號，計算開關控制量;A/D轉換模塊將壓力傳感器產生的模擬信號轉換成PLC可處理的數字信號;壓力傳感器實時測量平衡機內氣體壓力值。

　　顯示部分主要由液晶顯示屏、功能按鍵、操作指示燈和電源開關組成。液晶顯示屏工作時帶有綠色背光，用以顯示傳感器測量得到的氣體壓力值和由鍵盤輸入的火炮射角;功能按鍵用以設定控制參數，火炮射角數值的輸入，以及手動開、關閥的控制;操作指示燈共有三個指示燈——報警燈(紅色)、充氣燈(綠色)和放氣燈(綠色)，用以指示系統當前的工作狀態;電源開關用以接通、斷開系統電路。

　　連接部分主要由高壓膠管和快換接頭組成。高壓膠管共有兩根，為3米長，用以將系統與平衡機和氣源相連接;快換接頭用以快速的將高壓膠管與系統插接。

1.4 系統軟件

　　系統軟件部分主要由主控模塊、顯示模塊和控制模塊組成。

　　主控模塊采用西門子公司生產的PLC CPU 226作為控制器，具有可靠性高、抗干擾能力強、便于維護等顯著優點。其程序設計在其編程運行環境STEP-7下可用國際通用的梯形圖語言，編譯通過后用PPI電纜下載到PLC。該模塊可以實現開機后系統自檢;對當前平衡機內氣體壓力進行采樣，并做均值濾波;根據進程依次調用其它程序模塊。

　　顯示模塊可分為屏幕顯示和指示燈顯示。屏幕顯示用于顯示當前平衡機內氣體壓力值，當前火炮身管的射角輸入值;指示燈顯示用于顯示系統當前的工作狀態，如系統故障報警、系統充氣和系統放氣。

　　控制模塊可分為鍵盤控制和控制程序。鍵盤控制用于對功能鍵進行識別，并做出相應的反應，例如電磁閥的手動開、關。控制程序用于根據壓力傳感器的反饋信號，以及由射角—壓力數學模型得到的理想壓力值(目標壓力值)計算開關控制量，以驅動相應的電磁閥工作。

1.5 射角—壓力數學模型建立

　　為了實現火炮身管在任意射角情況下，都能夠進行平衡機自動充、放氣操作，建立了射角—壓力映射關系的數學模型。

　　平衡機由于活塞和管壁存在強烈的摩擦，以及機筒內彈簧調整機構的作用，使之呈現出強烈的非線性。采用解析建模的方法無法建立準確的數學模型，為此我們采用基于輸入—輸出數據的系統辨識的方法建立射角—壓力映射關系的數學模型。

　　在某型火炮上進行實驗，采集了身管全射角范圍內，每隔0-15密位所對應的平衡機氣壓壓力值。辨識算法采用基于L—M學習規則的BP神經網絡，模型采用具有5個隱節點的2層單輸入單輸出網絡結構。設定誤差目標值為0.05，經過38步迭代計算，誤差值收斂到0.047116。

　　令μ為射角輸入，y為壓力輸出，W1、b1為輸入層到隱層的權值和閾值，W2、b2為隱層到輸出層的權值和閾值。建立了射角—壓力映射關系的數學模型：

　　其中：

，

　， b2=18.388

　　最終，得到模型輸出曲線和實際采樣的離散值。有了上述模型，就可計算得到火炮身管在任意射角下平衡機內氣體的理想壓力值。

2 結論

　　“平衡機自動調整系統”的研制解決了上述問題，實現了平衡機氣壓調整的自動操作，平衡機氣壓越限報警，以及任意射角情況下進行平衡機自動充、放氣操作等功能。經過部隊試驗性使用，使部隊徹底擺脫了以往平衡機充、放氣操作對火炮射角及操作環境的依賴，不需各方面復雜的技術和物資保障，且使用方便，不僅縮短了操作時間，而且提高了調整精確度。

參考文獻：

　　[1]陳杰，黃鴻.傳感器與監測技術[M].北京：高等教育出版社，2002

　　[2]程子華.PLC原理與編程實例分析[M].北京：國防工業出版社，2007

　　[3]趙富全，吳東亞，邵思杰.火炮與自動武器原理[M].北京：裝甲兵工程學院，2007

　　[4]李凌峰，頓建華，郭英.在線監測在專家系統中的應用[J] .火炮發射與控制學報，2004(3)：61-63

　　[5]董治華，張林銳，劉亮.基于智能壓力變送器的嵌入式檢測系統研究[J] .電子測量與儀器學報，2009：203-206

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第2期第68頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。