优化坦克火控系统中炮控方案的设计

1.第一类方案

为使火炮在高低向和水平向得到稳定，炮控系统采用双向闭环伺服系统，其中一个在火炮的高低向使用，另一个在炮塔的水平向使用。两个环路各用一个陀螺仪分别敏感火炮在高低向和水平向上的角速度。火炮运动的角速度与炮手输入的控制信号之差，最终驱动高低向或水平向伺服系统的执行机构将火炮或炮塔向相反方向旋转，以消除这一差值，从而使火炮稳定。这样，当炮手不操纵火炮时，双向稳定控制系统将自动使固定在轴承上的火炮保持在一定的空间位置，而不管车体如何运动。换句话说，双轴稳定控制系统闭环补偿火炮运动的角速度，从而使火炮可以不受外部干扰的影响。

这类稳定和驱动系统有全电气式和电气-液压式两种。前者一般采用电动机放大机-电动机系统，后者一般由提供动力的电动机驱动一个液压泵，然后驱动液压马达（在水平方向上）或动力油缸（在高低方向上）。图4-9所示为一种炮塔水平向稳定和驱动系统的方框简图。

图4-9　有陀螺速度反馈的全电气式炮塔水平向稳定和驱动系统方框简图

—炮手速度指令；—车体方向速率；—炮塔方向速率；—炮塔电动机速度；—目标方向速率。

早期的炮控系统均采用这类控制方式，在高低向上安装电-液驱动的稳定和驱动系统，在水平向安装一个电气驱动系统；后者在高低向和水平向分别采用电-液式和电气式的稳定及驱动系统。其基本结构与图4-8相同，不同的是每一方向应用了两个陀螺仪——角度陀螺仪和速度陀螺仪，用来分别感受火炮相对规定位置的偏离角度和偏离角速度。

已经证明双陀螺控制系统是相当有效的，即使这种控制系统还不足以实现坦克运动中的精确瞄准，但至少能做到粗略地瞄准，从而当坦克短停射击时，只要进行较小的调整就可以了。然而，从事情的本质来讲，当坦克在起伏地面上行驶时，第一类方案构造的控制系统反应时间存在不足，无法很快地将火炮瞄准误差降低到最小。

2.第二类方案

第二类方案为复合控制系统不同于传统的炮控系统，它是按照复合控制理论设计的，是按扰动控制的无差系统。它不仅具有传统的闭环稳定回路和控制回路，而且具有按扰动控制的开环补偿通道和按瞄准控制的前馈通道。前馈控制的思想是：找到系统的主要扰动源，弄清它的影响机理，直接对其进行测量，再根据影响机理产生一个控制量直接引入控制器参与矫正控制，保证在扰动还没有造成严重后果时就被抑制掉。

经过分析，炮控系统主要的扰动有两个：一个是车辆运动中车体不断随机转向，炮塔座圈的摩擦力矩导致扰动；另一个是炮塔装甲并非各方向均衡，其重心和转心有较大的偏差，重心偏前较多，车辆运动中炮塔绕火炮轴线方向的转动成了较大的扰动，特别是炮塔垂直车体运动方向时，扰动更加明显，这样的扰动因重心和转心的偏差而产生很大的离心力，使火炮方位向稳定性变差。所以，一般情况下第二类方案有两个前馈开环附加陀螺，反映坦克的角速度，提前提供高低和水平方向的驱动指令，从而使火炮近似稳定。这样，一个附加陀螺装在车体上，敏感车体在炮塔旋转平面内的角速度并产生水平向驱动的前馈指令；另一个附加陀螺装在炮塔内，传感炮塔在火炮垂直平面内的角速度并产生高低向驱动的前馈指令。设计的结果是将装在火炮上的两个陀螺的指令简化为修正前馈开环的误差，使火炮的稳定性大大改进。如图4-10所示。

这种按扰动控制的系统是无差系统，从理论上讲，它对干扰造成的误差可以为零。由于在实际系统中还有许多不可测的扰动及非线性因素，所以，它还是有一定误差存在的。

已经证明，按第二类方案构建的炮控系统，在典型起伏路面条件下，使火炮在每个轴线上的瞄准误差降低到1 mil 以下，其中前馈用于矫正系统的大扰动，闭环矫正用于矫正系统的各种未知的小扰动。但是这个精度值还不能使我们满意。另外，正如图4-10所示，第二种类型的炮控系统仍需要用视觉反馈闭合整个火炮至目标环路，没有将火炮轴线与瞄准线分离，这就限制了某些新技术在坦克火控系统中的运用。

图4-10　有复合控制的炮控系统方框简图

3.第三类方案

第三类系统又称为指挥仪型系统。指挥仪式火控系统的出现是坦克火控系统的重大发展。安装指挥仪式火控系统后，在坦克行进时，炮手从瞄准镜向外观察，目标和背景几乎不动，所以又称为稳像式火控系统。使用这种系统可以在坦克行进间进行准确的射击，并且射击时只需要一次瞄准。也就是当炮手将瞄准标记压到目标中心并发射激光测距后，目标不再有什么扰动，炮手只需继续瞄准目标，就可以进行射击了。稳像式火控系统之所以有上述功能，是因为它采用了新的控制方式。在这种系统中，瞄准线独立稳定，并作为系统工作的基准。瞄准线的稳定，是通过陀螺仪稳定瞄准镜中的反射棱镜或反射镜来实现的。在瞄准状态时，炮手用手控装置驱动瞄准镜的瞄准线，使瞄准线跟踪、瞄准目标，火炮随动于瞄准线。在射击时，火控计算机计算出的射击提前角传输给火炮和炮塔传动装置，使火炮自动调转到提前角位置，而瞄准线仍然保持跟踪和瞄准目标。(www.xing528.com)

事实上，独立稳定瞄准线的误差在每个轴线上只有0.1 mil 或更小。因此，虽然炮手独立稳定式瞄准具不能改善火炮本身的稳定，但是当炮手配有这样的瞄准具时，却能更好地在运动中发现、跟踪和精确地瞄准目标。因而，随动于瞄准线的火炮也可以得到较高的精度。这种独立稳定的瞄准具与随动的火炮组成的指挥仪型系统如图4-11所示。

图4-11　有指挥仪型炮控系统的方框简图

另外，指挥仪型火控系统通常设计有重合射击门。这种设计的结果虽然不能从本质上改变火炮的稳定误差，但却在射击的瞬间提高火炮的稳定精度。重合射击门的功能是，只有在一定的精度范围内才允许火炮发射。否则，即使按下发射按钮，火炮也不能发射。重合门射击的基本原理是，当火控计算机计算出火炮射击补偿角Δε 和Δη 后，实时检测火炮的实际角度Δε′和Δη′。两者的差值的绝对值都小于某一给定的误差值Δk 时，即认为火炮到位，由重合门信号控制射击电路完成射击。Δk 称为射击重合门阈值。上述过程叫射击重合，重合的条件可用下式表示：

这样，尽管火炮在垂直和水平方向有随机的振动，但是却可以获得比较高的首发命中率。重合射击门（开门）和炮控系统稳定精度的关系如图4-12所示。

图4-12　射击门（开门）和稳定精度的关系

这样，采用这种重合射击技术就充分利用了独立稳定瞄准线的高度精确性，将使射击时由于运动引起的误差间接地减小到0.2 mil 左右。

不同控制类型的炮控系统的命中率示于图4-13。它示出了坦克对2.3 m×2.3 m 的目标射击，高速弹时距离和单发命中率（PH）的理论曲线。4 条曲线之一表示坦克停车射击（火炮动态误差δ=0）的情况，另外3 条表示分别装有第一、二和三类炮控系统 （它们分别使火炮的动态误差降为1.0 mil、0.5 mil和0.2 mil）的坦克在不平路面上以某速度行驶时的射击情况。

图4-13　停车射击时和不同的稳定方法的炮控系统的坦克在运动中射击时的距离与单发命中率曲线图

4.第4 类系统

数字化炮控系统是近些年随着科学技术的进步，特别是计算机、微处理器技术广泛应用于自动控制领域而发展起来的。数字炮控系统的出现，不仅实现了炮控系统的更新换代，也为武器装备系统信息化的实现铺平了道路。系统中所运用的控制方法基于软件算法实现，任何控制结构或方法的变化都只通过修改软件完成，灵活性大大提高，可以采用更加复杂的控制算法，适合变结构的非线性控制。另外，新型炮控系统已经放弃了原有的角度、速度陀螺仪组合的方式，而是采用了一个液浮速率陀螺仪的系统控制结构，速度陀螺信号积分获得角度信号，如图4-14所示。

图4-14　一种数字控制器的硬件原理框图