基于模块化设计的全电子安全控制系统.pdf
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1、第 卷 第期 年月探 测 与 控 制 学 报J o u r n a l o fD e t e c t i o n&C o n t r o lV o l N o A u g 收稿日期:基金项目:装备预先研究项目()作者简介:谢非(),男,山西临汾人,硕士研究生.基于模块化设计的全电子安全控制系统谢非,彭志凌,鲁旭涛,范宏辉,陈子华(中北大学,山西 太原 )摘要:针对空空导弹电子安全系统各部件功能独立性较弱,维护升级难度较高,程序设计复杂度较高等问题,提出基于模块化设计的全电子安全控制系统.该系统分别从硬件和软件方面对全电子安全系统的模块化设计方法进行分析研究,通过P I D算法对电容电压进行闭环
2、控制.最后通过采用M o d e l s i m软件和低能爆炸箔试验分别对电子安全系统进行仿真验证和可行性分析测试.结果表明,该全电子安全控制系统性能可靠,各部件功能独立性增强,程序设计复杂度降低,软硬件可维护性都得到提高,能够满足空空导弹的作战需求.关键词:空空导弹;模块化设计;安全控制系统;P I D闭环控制;可行性分析中图分类号:T J 文献标志码:A文章编号:()T h eM o d u l a rD e s i g no fE l e c t r o n i cS a f e t yC o n t r o l S y s t e mX I EF e i,P E N GZ h i l
3、i n g,L UX u t a o,F AN H o n g h u i,CHE NZ i h u a(N o r t hU n i v e r s i t yo fC h i n a,T a i y u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I nv i e wo f t h ew e a kf u n c t i o n a l i n d e p e n d e n c eo f t h ec o m p o n e n t so f t h ea i r t o a i rm i s s i l ee l e c t r o n i cs e c u r i
4、t ys y s t e m,t h ed i f f i c u l t yo fm a i n t e n a n c ea n du p g r a d e,a n dt h eh i g hc o m p l e x i t yo fp r o g r a md e s i g n,a na l l e l e c t r o n i cs e c u r i t yc o n t r o l s y s t e mb a s e do nm o d u l a rd e s i g nw a sp r o p o s e d i nt h i sp a p e r B a s e d
5、o nt h em o d u l a re l e c t r o n i cs e c u r i t ys y s t e m,t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h es y s t e mw e r ea n a l y z e da n ds t u d i e dr e s p e c t i v e l y,a n dt h eP I Da l g o r i t h mc a r r i e do n t h e c l o s e d l o o pc o n t r o l t o t h e c a p a c i
6、 t o r v o l t a g e F i n a l l y,t h e e l e c t r o n i c s e c u r i t y s y s t e mw a ss i m u l a t e da n dt e s t e db yu s i n g M o d e l s i ms o f t w a r ea n dl o w e n e r g ye x p l o s i v ef o i lt e s t T h ea n a l y s i ss h o w e dt h a t t h ep e r f o r m a n c eo f t h e f
7、u l l e l e c t r o n i c s e c u r i t yc o n t r o l s y s t e mb a s e do nm o d u l a rd e s i g nw a s r e l i a b l e,t h e f u n c t i o n a l i n d e p e n d e n c eo f e a c hc o m p o n e n tw a se n h a n c e d,t h e c o m p l e x i t yo f p r o g r a mm i n gw a s r e d u c e d,a n dt h
8、em a i n t a i n a b i l i t yo f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ew a s i m p r o v e d K e yw o r d s:a i r t o a i rm i s s i l e;m o d u l a rd e s i g n;s a f e t yc o n t r o l s y s t e m;P I Dc l o s e d l o o pc o n t r o l;f e a s i b i l i t ya n a l y s i s 引言空空导弹作为当代战斗机主要对空作战的武器,在当前战争
9、中发挥的作用无疑是极其重要的.全电子引信集微电子与起爆技术为一体,从根本上改变了引信隔离的设计思想,作用迅速、具有较高的安全性和可靠性.文献 针对鱼雷引信全电子安全系统的保险与解除保险逻辑进行理论研究,并对意外解保概率进行了计算.文献 针对巡飞弹安全控制系统进行了分析研究,并进行仿真验证.文献 主要采用数理分析和故障物理的方式针对起爆控制电路冗余设计技术进行深入研究.虽然国内学者对全电子安全控制系统的研究基本成熟,但针对空空导弹电子安全系统各部件功能独立性较弱,维护升级难度较高,程序设计复杂度较高等问题并未进行深入研究.本文借鉴了全电子引信安全控制设计思路,提出模块化电子安全控制系统.原理 模
10、块化模块化,顾名思义,是一种将复杂系统逐层分解成独立的组件或单元的方法,每个独立单元形成相应系统子功能,以达到降低系统复杂性、提高可维护性和可重用性的目的.这种设计方法常用于软件工程领域,但也用于硬件系统、机械设计制造等其他领域.模块化设计的核心思想是根据系统内容结构的关联性将系统分解为若干个相对独立的、可重复使用的子模块进行开发,各子模块可以通过明确的接口规范组合在一起.每个子模块可以单独设计、开发、测试和维护,并且每个子模块都具有特定的功能,可以被其他系统重复使用.这种设计方法能够显著提高系统的可维护性和可扩展性,并有助于降低系统的复杂度.全电子安全系统 全电子安全系统工作原理传统全电子安
11、全系统通过电子元件代替传统的机械元件实现对爆炸物的控制,通常由两部分组成,一部分是安全与解除保险的逻辑控制部分,另一部分是发火装置.在空空导弹飞行过程中,全电子安全系统通过检测导弹的飞行参数对其是否解除保险进行控制,从而实现对目标进行高精度打击.在导弹到达目标时,全电子安全系统控制高压电容放电,引爆空空导弹.全电子安全系统功能空空导弹的传统全电子安全系统通常具有保险功能、保 险 解 除 功 能、故 障 保 险 功 能、作 战 功 能等.这些功能可以帮助导弹实现安全、高效、精确的飞行,从而提高空空导弹的使用效率和可靠性.全电子安全系统设计特点传统全电子安全系统设计特点通常包括高稳定性、高集成度、
12、高安全性、高可靠性等.对于环境和需求的不同,采用的设计方式也有所不同,虽然高度集成对于系统的整体性能和功能集成方面有优势,但是模块化设计在系统维护、扩展、集成等方面也有着明显的优势,对于维护系统的稳定性和安全性,模块化设计可能更加适合.全电子安全系统解除保险激励选择本文充分发挥并利用空空导弹所独处的环境信息,分别采用弹架分离信号、目标锁定信号和目标临近信号作为第、级环境保险解除激励,实现解除保险环境激励和保险与解除保险逻辑之间的良好匹配.全电子安全系统流程全电子安全系统流程如图所示.按照空空导弹的飞行速度为 m/s,爆炸半径为 m进行计算,s后空空导弹已经飞行 m以上,大于爆炸半径,可以确保载
13、机安全.图安全控制系统流程图F i g F l o wc h a r to f s a f e t yc o n t r o l s y s t e m探 测 与 控 制 学 报 全电子安全系统的模块化为了保证空空导弹发射后载机和后续弹道的安全性,对其引信体系的安全、可靠程度提出了更高的要求.在对全电子安全系统模块化进行研究时,应采取以下措施:)引信系统采用目标基安全系统设计方式;)对安全系统进行合理的逻辑设计.硬件部分模块化根据G J B B 引信安全性设计准则,全电子安全系统采用冗余设计的方式.分别采用两组独立的电路,使用级保险(组静态开关和组动态开关)来实现对起爆电源的隔离最为合理.选取
14、C P L D和F P GA作为控制芯片,C P L D逻辑能力强,适用于控制密集型系统,适合完成各种算法和组合逻辑,F P GA寄存器资源丰富,适合完成时序逻辑.系统采 用“阈值时间窗顺 序”的 控 制 思路,结合个环境信号分别对级保险进行控制,进而保证载机和空空导弹弹道的安全性.安全控制系统结构如图所示.根据硬件部分各元器件功能及环境特性,降低高压电路对低压信号影响,采用模块化设计方式,将全电子安全系统分为四个子模块:低压接口模块、逻辑控制模块、功率电路模块和高压起爆模块.各子模块之间通过数据总线(C AN、IC、U S B等)进行连接,可减少连线数目,便于系统布线和接口设计,简化系统结构
15、,同时便于系统的更新、扩充和灵活配置,更易于实现系统硬件部分模块化.图安全控制系统结构框图F i g B l o c kd i a g r a mo f s a f e t yc o n t r o l s y s t e ms t r u c t u r e 程控系统模块化 C P L D程控模块对于逻辑控制芯片C P L D的程控系统,宜采用模块化编程方式.主要实现以下功能:C P L D在时间窗T内对环境信号进行识别并对静态开关进行作用;C P L D在时间窗T内对环境信号进行识别并对动态开关进行作用;C P L D读取A D C模块采集的电容电压数据并对电容电压进行闭环控制;C P L
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- 基于 模块化 设计 电子 安全 控制系统
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