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【摘要】在深弹控制系统的设计过程中，引入了半实物仿真技术（HILS），通过其较高置信度的仿真结果，较真实的反映出控制系统的性能并加以改进。
【关键词】半实物仿真；深弹控制系统
1.引言
深弹是打击潜艇的有效武器之一，价格低廉，可以大量使用、维护使用方便、作战方式灵活，可用于浅水、深水海域的反潜作战，适合直升机和固定翼飞机装载、携带、投放和使用。国外具有代表性的深弹有北约国家普遍装备的“MK11”，意大利白头鱼雷公司开发的MS500深弹，俄罗斯的“C-3B”无动力深弹以及90П火箭声深弹、短程有动力深弹KAB-500PL。
控制系统是深弹的关键分系统之一，其主要功能是根据深弹搜索与攻击目标过程中的弹道要求控制弹体，使弹体按规定的弹道运动。对深弹的控制系统进行全弹道数学仿真和半实物仿真，全面评价弹体控制特性以及控制特性，可以为深弹控制系统设计及评价提供有力的决策依据。
随着微机技术的发展和现代控制理论的进步，深弹技术发展到了一个新的阶段，具备自导探测、布放方式多样、精确制导能力的深弹能在现代战争中发挥重要的作用。作为深弹总体技术中的核心部分，深弹控制系统有着非常重要的地位，其主要功能是根据深弹在投放、搜索、导引过程中的弹道要求控制弹体，是其按期望的弹道运动，无论是布放的准确性或是攻击的快速性、精确性，都跟控制系统的效能息息相关[1]。
在深弹控制系统设计过程中，面临着有两个难题：一是深弹相比较鱼雷等水中兵器，其自身的攻击特性是自导作用距离短、作战距离有限，因此在有限的时间内要求控制系统能快速有效的解算、执行，从而确保打击精度；二是“物美价廉”的深弹，研制经费相对有限，如何能用有限的经费研制出高性能的深弹，是考验设计人员的一个难题。
2.半实物仿真仿真技术
仿真技术被引入武器装备研制已经有数十年的历史，在指导设计改进、验证装备性能发挥了重要的作用。HILS，又名半实物仿真，全称“Hardware In the Loop Simulation”，指在整个仿真回路中包含一部分硬件的仿真。与传统的纯数学仿真相比，HILS在其整个系统中接入了一部分实物，因此仿真结果往往具有很高的置信度；同时，由于部分真实的设备、产品参与了整个仿真过程，这也有助于对这部份硬件进行性能考察，从而使部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验。
在深弹控制系统设计中引入半实物仿真，可以更全面的评价深弹的控制特性，为深弹控制系统设计及评价提供有力的依据，可以有效的提高系统设计的可靠性和研制质量，降低系统的研制周期和研制经费。
3.深弹控制系统基本组成
根据控制系统的功能和要求可以确定控制系统组成。控制系统主要由敏感元件、控制系统计算机、舵机控制单元、舵机及舵面组成。
敏感元件进行弹体姿态参数测量；控制系统计算机根据弹体姿态、弹体速度及目标方位角、目标距离，根据导引律与控制律进行操舵角解算；舵机控制单元根据控制系统计算机解算的操舵角与实际舵角进行比较，并将两者的差值信号进行功率放大后控制舵机，驱动舵面按要求的方向偏转至要求的位置；舵机由电机及传动机构组成，主要功能是输出系统所要求的操舵力，带动舵面偏转；舵面在操舵力的作用下偏转，并在流体动力的作用下产生偏转力矩，使弹体按预定弹道运动。
随着精确制导等性能的要求越来越高，深弹的控制系统也越来越复杂，控制系统包含控制电路、执行机构、敏感元件等。
控制电路根据弹体自身的姿态以及目标的方位、距离进行操舵舵角解算；执行机构根据控制电路解算的操舵舵角和实际的姿态进行闭环控制，使弹体偏转向正对目标；敏感元件则获取弹体的姿态参数。深弹弹道控制系统工作原理框图如图1所示。
弹道控制系统包括惯测系统、稳定控制系统和制导控制系统等组成。其中，惯测系统完成航空自导深弹工作过程中运动学信息的测量和解算；稳定控制系统利用角速度（或弹道航向角度变化率）的反馈通过操纵舵面实现对航空自导深弹的姿态稳定控制；而制导系统则利用初始目标信息和航空自导深弹惯测系统进行综合形成导引指令，通过稳定控制系统实现对航空自导深弹攻击弹道的修正，最终使航空自导深弹基本按理论弹道航行，并满足导引精度要求。
4.半實物仿真组成
控制仿真系统必须能满足如下要求或功能：
1）构成深弹控制系统分布式硬件在回路仿真和测试平台；
2）能够进行弹体水动力特性的数字仿真分析，包括完整的动力学、运动学模型、稳定性分析、机动性分析等；
3）能够进行深弹弹道的分析计算，在任意的弹道冻结点，建立三通道稳定控制回路传递函数或状态方程模型，并计算稳定性、时域响应特性、频率响应特性等；
4）能够进行深弹控制系统的数字仿真实验；HILS一般由3部分构成：①仿真计算机，用来进行动力模型的设计及运行程序、处理数据；②环境模拟设备，包括运动仿真器、角运动仿真器、目标特性仿真器等仿真设备；③被测实物，一般指控制电路板、陀螺仪、舵机执行机构等硬件设备[2]。
5.深弹控制系统的HILS功能设计
深弹控制系统的半实物仿真试验，要求能为深弹控制系统提供真实的工作环境，并充分模拟不同的工作条件，以检验系统的各种功能和可靠性，具体表现在实现如下功能[3]：
1）进行深弹的6自由度非线性模型仿真解算；
2）通过陀螺仪返回的角速率信息报文，通过姿态解算算法，解算出姿态信息；
3）通过三维运动模拟器实时模拟深弹的运动航行和姿态；
4）通过惯性测量组合和仿真计算机记录下深弹运动轨迹。
6.深弹控制系统的HILS系统构成
为了实现上述功能，在进行深弹控制系统HILS设计时，必须包括以下设备[4]： 1）DSPACE实时仿真系统：主要功能是仿真控制对象和环境；
2）MATLAB仿真工作站：主要功能是建立深弹控制系统的数学模型；
3）FLUENT仿真工作站：主要完成弹体特性分析、流体动力性能分析；
4）三轴转台：通过转台的三个轴的转动，模拟深弹的姿态变化，形成逼真的水下运动环境；
5）陀螺仪：敏感弹体的姿态变化速率，通过四元素法解算出姿态信息，用于解算控制舵角操舵指令，发给数字舵机；
6）控制电路板：基于DSP的运动控制硬件结构，通过接收到的目标信息和自身姿态；信息进行姿态解算，解算出控制舵角操舵指令后发给数字舵机；
7）数字舵机：作为控制系统的执行机构，通过操纵横舵、直舵、差动舵三个舵面来实现导引攻击；
8）装定器：通过串行通信口发送虚拟目标信息；
9）惯性测量组合：作为测试设备，记录下弹道轨迹。
7.深弹控制系统的HILS工作原理
由上述仿真设备和部分实物组成的HILS系统结构图如图2所示：
HILS系统工作原理如下：系统上电后，装定设备向导引控制板发送虚拟目标信息，陀螺仪向导引控制板发送姿态变化角速率信息，导引控制板随即根据角速率信息进行捷联解算得出姿态信息，同时根据目标信息和姿态信息进行舵角控制律的解算，解算出合适的操舵指令后发给数字舵机伺服系统，数字舵机开始进行操舵，舵角信息反馈至DSPACE系统控制对象模型，该系统根据深弹的模型和運动学方程计算出深弹的实时姿态信息，并输出至三轴转台，三轴转台随即开始进行转动，模拟深弹的真实姿态变化，惯性测量组合则不断记录下深弹的航行轨迹，最后，通过上位机计算出控制系统相关的超调量、响应时间、稳态误差等性能指标参数，以此来检验深弹控制系统的工作性能。
8.HILS仿真结果分析
以某深弹控制系统半实物仿真结果为例：通过装定器发送的虚拟目标方位信息为（26.5°，26.5°），经过控制系统的半实物仿真，所得的系统HILS弹道曲线如图3所示。
由HILS仿真结果可以看出，通过理论计算的稳态俯仰角、偏航角应为26.5°，在控制系统的作用下，横滚通道超调量≤0.9°，稳态误差≤0.1°，最大超调量0.9，稳定收敛时间≤3.2s，偏航通道超调量≤1.5°，稳态误差≤1.8°，最大超调量1.5，稳定收敛时间≤3.2s，横滚通道横滚角≤6°。由此可以得出结论，该深弹控制系统很好的实现了横滚抑制，俯仰、偏航双通道响应时间较快，超调较小，稳态误差小，说明该控制系统执行机构能满足整个系统的使用要求；缺点是收敛较慢，且偏航通道的稳态误差略大，该结果则为控制算法的改进设计提供指导：在偏航通道PID控制律中增强积分环节的作用来减小稳态误差，同时在平面双通道适当调整比例控制参数来减少响应时间。
由上述半实物仿真系统姿态曲线可以得出结论，该控制系统能较好的满足深弹控制快速性的要求，执行机构能力较强升，收敛时间和稳态误差等指标还需要进一步调整控制参数，也可以通过调整流体模型中的敏感参数来优化，该系统控制能力还能得到进一步的提升。
9.结论
从上述HILS仿真结果可以得出结论：半实物仿真可以有效的模拟深弹工作环境和姿态变化，并通过一系列实物检验控制系统各个组件软、硬件的性能，其仿真结果具有较高的置信度，且通过仿真结果可以快速有效的找出系统设计需要改进的地方，大大减少了科研周期和研制经费，可以断定，HILS技术将在深弹工程研制中扮演越来越重要的角色。
参考文献
[1]彭荆明，舒旭光.深弹控制仿真系统研究[J].水雷战与舰船防护，2009（1）：35-38.
[2]赵宁宁.水下航行器控制系统仿真试验研究与应用.西北工业大学硕士论文[D].20060301：18-30.
[3]雷叶红.张记华.张春明.基于dSPACE/MATLAB/Simulink平台的实时仿真技术研究[J].系统仿真技术，2005（3）：46-50.
[4]张福斌.徐德民.严卫生.高剑.水下航行器导航与控制一体化系统的半实物仿真试验设计[J].系统仿真学报，2006.
【关键词】半实物仿真；深弹控制系统
1.引言
深弹是打击潜艇的有效武器之一，价格低廉，可以大量使用、维护使用方便、作战方式灵活，可用于浅水、深水海域的反潜作战，适合直升机和固定翼飞机装载、携带、投放和使用。国外具有代表性的深弹有北约国家普遍装备的“MK11”，意大利白头鱼雷公司开发的MS500深弹，俄罗斯的“C-3B”无动力深弹以及90П火箭声深弹、短程有动力深弹KAB-500PL。
控制系统是深弹的关键分系统之一，其主要功能是根据深弹搜索与攻击目标过程中的弹道要求控制弹体，使弹体按规定的弹道运动。对深弹的控制系统进行全弹道数学仿真和半实物仿真，全面评价弹体控制特性以及控制特性，可以为深弹控制系统设计及评价提供有力的决策依据。
随着微机技术的发展和现代控制理论的进步，深弹技术发展到了一个新的阶段，具备自导探测、布放方式多样、精确制导能力的深弹能在现代战争中发挥重要的作用。作为深弹总体技术中的核心部分，深弹控制系统有着非常重要的地位，其主要功能是根据深弹在投放、搜索、导引过程中的弹道要求控制弹体，是其按期望的弹道运动，无论是布放的准确性或是攻击的快速性、精确性，都跟控制系统的效能息息相关[1]。
在深弹控制系统设计过程中，面临着有两个难题：一是深弹相比较鱼雷等水中兵器，其自身的攻击特性是自导作用距离短、作战距离有限，因此在有限的时间内要求控制系统能快速有效的解算、执行，从而确保打击精度；二是“物美价廉”的深弹，研制经费相对有限，如何能用有限的经费研制出高性能的深弹，是考验设计人员的一个难题。
2.半实物仿真仿真技术
仿真技术被引入武器装备研制已经有数十年的历史，在指导设计改进、验证装备性能发挥了重要的作用。HILS，又名半实物仿真，全称“Hardware In the Loop Simulation”，指在整个仿真回路中包含一部分硬件的仿真。与传统的纯数学仿真相比，HILS在其整个系统中接入了一部分实物，因此仿真结果往往具有很高的置信度；同时，由于部分真实的设备、产品参与了整个仿真过程，这也有助于对这部份硬件进行性能考察，从而使部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验。
在深弹控制系统设计中引入半实物仿真，可以更全面的评价深弹的控制特性，为深弹控制系统设计及评价提供有力的依据，可以有效的提高系统设计的可靠性和研制质量，降低系统的研制周期和研制经费。
3.深弹控制系统基本组成
根据控制系统的功能和要求可以确定控制系统组成。控制系统主要由敏感元件、控制系统计算机、舵机控制单元、舵机及舵面组成。
敏感元件进行弹体姿态参数测量；控制系统计算机根据弹体姿态、弹体速度及目标方位角、目标距离，根据导引律与控制律进行操舵角解算；舵机控制单元根据控制系统计算机解算的操舵角与实际舵角进行比较，并将两者的差值信号进行功率放大后控制舵机，驱动舵面按要求的方向偏转至要求的位置；舵机由电机及传动机构组成，主要功能是输出系统所要求的操舵力，带动舵面偏转；舵面在操舵力的作用下偏转，并在流体动力的作用下产生偏转力矩，使弹体按预定弹道运动。
随着精确制导等性能的要求越来越高，深弹的控制系统也越来越复杂，控制系统包含控制电路、执行机构、敏感元件等。
控制电路根据弹体自身的姿态以及目标的方位、距离进行操舵舵角解算；执行机构根据控制电路解算的操舵舵角和实际的姿态进行闭环控制，使弹体偏转向正对目标；敏感元件则获取弹体的姿态参数。深弹弹道控制系统工作原理框图如图1所示。
弹道控制系统包括惯测系统、稳定控制系统和制导控制系统等组成。其中，惯测系统完成航空自导深弹工作过程中运动学信息的测量和解算；稳定控制系统利用角速度（或弹道航向角度变化率）的反馈通过操纵舵面实现对航空自导深弹的姿态稳定控制；而制导系统则利用初始目标信息和航空自导深弹惯测系统进行综合形成导引指令，通过稳定控制系统实现对航空自导深弹攻击弹道的修正，最终使航空自导深弹基本按理论弹道航行，并满足导引精度要求。
4.半實物仿真组成
控制仿真系统必须能满足如下要求或功能：
1）构成深弹控制系统分布式硬件在回路仿真和测试平台；
2）能够进行弹体水动力特性的数字仿真分析，包括完整的动力学、运动学模型、稳定性分析、机动性分析等；
3）能够进行深弹弹道的分析计算，在任意的弹道冻结点，建立三通道稳定控制回路传递函数或状态方程模型，并计算稳定性、时域响应特性、频率响应特性等；
4）能够进行深弹控制系统的数字仿真实验；HILS一般由3部分构成：①仿真计算机，用来进行动力模型的设计及运行程序、处理数据；②环境模拟设备，包括运动仿真器、角运动仿真器、目标特性仿真器等仿真设备；③被测实物，一般指控制电路板、陀螺仪、舵机执行机构等硬件设备[2]。
5.深弹控制系统的HILS功能设计
深弹控制系统的半实物仿真试验，要求能为深弹控制系统提供真实的工作环境，并充分模拟不同的工作条件，以检验系统的各种功能和可靠性，具体表现在实现如下功能[3]：
1）进行深弹的6自由度非线性模型仿真解算；
2）通过陀螺仪返回的角速率信息报文，通过姿态解算算法，解算出姿态信息；
3）通过三维运动模拟器实时模拟深弹的运动航行和姿态；
4）通过惯性测量组合和仿真计算机记录下深弹运动轨迹。
6.深弹控制系统的HILS系统构成
为了实现上述功能，在进行深弹控制系统HILS设计时，必须包括以下设备[4]： 1）DSPACE实时仿真系统：主要功能是仿真控制对象和环境；
2）MATLAB仿真工作站：主要功能是建立深弹控制系统的数学模型；
3）FLUENT仿真工作站：主要完成弹体特性分析、流体动力性能分析；
4）三轴转台：通过转台的三个轴的转动，模拟深弹的姿态变化，形成逼真的水下运动环境；
5）陀螺仪：敏感弹体的姿态变化速率，通过四元素法解算出姿态信息，用于解算控制舵角操舵指令，发给数字舵机；
6）控制电路板：基于DSP的运动控制硬件结构，通过接收到的目标信息和自身姿态；信息进行姿态解算，解算出控制舵角操舵指令后发给数字舵机；
7）数字舵机：作为控制系统的执行机构，通过操纵横舵、直舵、差动舵三个舵面来实现导引攻击；
8）装定器：通过串行通信口发送虚拟目标信息；
9）惯性测量组合：作为测试设备，记录下弹道轨迹。
7.深弹控制系统的HILS工作原理
由上述仿真设备和部分实物组成的HILS系统结构图如图2所示：
HILS系统工作原理如下：系统上电后，装定设备向导引控制板发送虚拟目标信息，陀螺仪向导引控制板发送姿态变化角速率信息，导引控制板随即根据角速率信息进行捷联解算得出姿态信息，同时根据目标信息和姿态信息进行舵角控制律的解算，解算出合适的操舵指令后发给数字舵机伺服系统，数字舵机开始进行操舵，舵角信息反馈至DSPACE系统控制对象模型，该系统根据深弹的模型和運动学方程计算出深弹的实时姿态信息，并输出至三轴转台，三轴转台随即开始进行转动，模拟深弹的真实姿态变化，惯性测量组合则不断记录下深弹的航行轨迹，最后，通过上位机计算出控制系统相关的超调量、响应时间、稳态误差等性能指标参数，以此来检验深弹控制系统的工作性能。
8.HILS仿真结果分析
以某深弹控制系统半实物仿真结果为例：通过装定器发送的虚拟目标方位信息为（26.5°，26.5°），经过控制系统的半实物仿真，所得的系统HILS弹道曲线如图3所示。
由HILS仿真结果可以看出，通过理论计算的稳态俯仰角、偏航角应为26.5°，在控制系统的作用下，横滚通道超调量≤0.9°，稳态误差≤0.1°，最大超调量0.9，稳定收敛时间≤3.2s，偏航通道超调量≤1.5°，稳态误差≤1.8°，最大超调量1.5，稳定收敛时间≤3.2s，横滚通道横滚角≤6°。由此可以得出结论，该深弹控制系统很好的实现了横滚抑制，俯仰、偏航双通道响应时间较快，超调较小，稳态误差小，说明该控制系统执行机构能满足整个系统的使用要求；缺点是收敛较慢，且偏航通道的稳态误差略大，该结果则为控制算法的改进设计提供指导：在偏航通道PID控制律中增强积分环节的作用来减小稳态误差，同时在平面双通道适当调整比例控制参数来减少响应时间。
由上述半实物仿真系统姿态曲线可以得出结论，该控制系统能较好的满足深弹控制快速性的要求，执行机构能力较强升，收敛时间和稳态误差等指标还需要进一步调整控制参数，也可以通过调整流体模型中的敏感参数来优化，该系统控制能力还能得到进一步的提升。
9.结论
从上述HILS仿真结果可以得出结论：半实物仿真可以有效的模拟深弹工作环境和姿态变化，并通过一系列实物检验控制系统各个组件软、硬件的性能，其仿真结果具有较高的置信度，且通过仿真结果可以快速有效的找出系统设计需要改进的地方，大大减少了科研周期和研制经费，可以断定，HILS技术将在深弹工程研制中扮演越来越重要的角色。
参考文献
[1]彭荆明，舒旭光.深弹控制仿真系统研究[J].水雷战与舰船防护，2009（1）：35-38.
[2]赵宁宁.水下航行器控制系统仿真试验研究与应用.西北工业大学硕士论文[D].20060301：18-30.
[3]雷叶红.张记华.张春明.基于dSPACE/MATLAB/Simulink平台的实时仿真技术研究[J].系统仿真技术，2005（3）：46-50.
[4]张福斌.徐德民.严卫生.高剑.水下航行器导航与控制一体化系统的半实物仿真试验设计[J].系统仿真学报，2006.