本书来源于专业研究团队近四十年来对现代火炮控制系统的理论和方法研究、技术设计与工程研制体会，以防空火炮和压制火炮的控制系统为研究对象，从控制理论、系统架构、控制策略及基础支撑技术四个维度阐述现代火炮控制系统的一般和特殊原理，主要内容包括现代火炮控制系统的作用、地位及技术架构演进过程；星型拓扑网络数据交换与传输技术原理；捷联惯性导航技术原理；基于力矩放大和速度匹配的减速传动技术原理；基于永磁同步电机的调速控制技术原理；防空火炮控制与防空火炮随动系统的分析与综合校正原理；压制火炮火力控制与压制火炮随动系统的分析与综合校正技术原理等。
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第1章 现代火炮控制总论 1
1.1 火炮及其控制系统的技术发展回顾 1
1.1.1 近代火炮及控制 1
1.1.2 现代火炮及控制 3
1.2 火炮控制系统的研究对象与研究内容 4
1.2.1 火炮控制系统的研究对象 4
1.2.2 火炮控制系统的研究内容 4
1.3 火炮自动控制系统的一般概念 5
1.3.1 火炮自动控制系统的定义及基本要素 5
1.3.2 对火炮自动控制系统的基本要求 5
1.4 火炮自动控制系统的常用分类 6
1.4.1 按照微分方程式描述特征划分 6
1.4.2 按照被控制量与期望值的控制关系 6
1.4.3 按执行机构功率的大小分类 7
1.4.4 按单炮操作人数分类 7
1.5 在现代火炮控制工程中常用的控制理论方法 7
1.5.1 频域分析法 8
1.5.2 根轨迹法 8
1.5.3 时域分析法 8
1.5.4 系统辨识理论方法 9
1.5.5 基于反馈和复合控制的线性控制理论方法 10
1.5.6 基于串联控制的线性控制理论方法 10
1.5.7 鲁棒控制理论方法 10
1.5.8 自主控制理论方法 11
1.6 火炮控制系统的设计概述 11
1.6.1 火炮控制系统的设计理念 11
1.6.2 火炮控制系统组成架构的设计原则 12
1.7 火炮控制系统的主要技术能力 12
1.7.1 互联互通互操作能力 12
1.7.2 精准控制能力 13
1.7.3 “三化”能力 13
1.7.4 轻量化能力 13
1.7.5 网络化能力 13
1.7.6 产品通用质量特性持续提升能力 14
1.7.7 抗战场环境干扰能力 14
1.7.8 产品寿命周期低成本使用能力 15
1.8 现代火炮控制系统组成架构演进 15
1.8.1 组成架构分类 15
1.8.2 分立式控制系统 16
1.8.3 联合式控制系统 17
1.8.4 结合式控制系统 18
1.8.5 星型网络分布式控制系统 19
1.9 火炮星型网络分布式自动控制系统的技术优势 20
1.9.1 可重用 20
1.9.2 可重构 21
1.9.3 可成长 21
1.9.4 可共享 21
1.10 火炮星型分布式控制系统总体性能特性 21
1.10.1 系统总体要求 21
1.10.2 综合保障性 22
1.10.3 环境适用性要求 23
1.10.4 电磁兼容性 23
1.10.5 人-机工程 23
第2章 以太网交换技术原理 24
2.1 概述 24
2.1.1 网络技术及发展 24
2.1.2 网络交换机的主要技术指标 24
2.1.3 火炮交换机常用分类 27
2.2 网络交换机基本原理 29
2.2.1 组成与原理 29
2.2.2 交换单元的硬件结构 30
2.2.3 非管理型交换机技术原理 33
2.2.4 二层管理型交换机技术原理 36
2.2.5 三层管理型交换机技术原理 39
2.3 路由工作原理 43
2.3.1 路由的概念 43
2.3.2 路由的工作原理 44
2.3.3 路由表 44
2.3.4 距离矢量协议 45
2.3.5 链路状态协议 46
2.3.6 路径矢量协议 46
2.4 端口镜像原理 47
2.4.1 基本概念 47
2.4.2 工作原理 47
2.5 组播原理 48
2.5.1 组播的概念 48
2.5.2 组播的工作原理 48
2.5.3 IGMPv1/v2/v3版本 50
2.5.4 协议无关组播的原理 52
2.5.5 管理型交换机组播工作流程 53
2.6 生成树原理 54
2.6.1 STP的基本参数 54
2.6.2 STP的工作流程 56
2.6.3 STP定时器 57
2.6.4 STP配置报文 58
2.6.5 快速生成树 59
2.6.6 多生成树 62
2.7 链路聚合原理 64
2.7.1 链路聚合的基本原理 64
2.7.2 链路聚合选路功能设计 65
2.7.3 Trunk报文转发功能设计 65
2.8 时间同步原理 66
2.8.1 精密时间协议与广义精密时间协议对比 66
2.8.2 PTP的基本概念 67
2.8.3 E2E机制时间同步原理 67
2.8.4 P2P机制时间同步原理 68
2.8.5 E2E机制与P2P机制的区别 69
2.9 三层交换机设计示例 70
2.9.1 主要技术指标 70
2.9.2 系统组成与工作原理 70
2.9.3 交换管理单元设计 71
2.9.4 供电单元设计 74
2.9.5 BMC单元设计 77
2.9.6 设计达成情况 77
第3章 捷联惯性导航原理 82
3.1 概述 82
3.1.1 惯性技术的发展与应用 82
3.1.2 惯导系统分类 82
3.1.3 加速度计与陀螺 83
3.1.4 全球导航卫星系统 85
3.1.5 组合导航 86
3.1.6 惯导系统的主要功能 86
3.2 常用坐标系及其变换关系 86
3.2.1 坐标系的定义 86
3.2.2 坐标系之间的变换关系 87
3.3 平台惯导系统的工作原理 88
3.3.1 平台惯导系统的基本结构 88
3.3.2 平台惯导系统基本原理 89
3.4 SINS工作原理与设计 90
3.4.1 组成与工作原理 90
3.4.2 姿态解算原理 92
3.4.3 速度解算 95
3.4.4 位置解算 96
3.4.5 SINS误差模型 97
3.4.6 初始对准 101
3.5 SINS/里程计组合导航系统 105
3.5.1 组合导航的基本原理 105
3.5.2 里程计刻度误差模型 106
3.5.3 SINS安装误差模型 106
3.5.4 航位推算 107
3.5.5 里程计姿态误差方程 109
3.5.6 里程计的速度误差方程 110
3.5.7 SINS/OD组合导航算法 111
3.6 SINS/大气高程计组合导航系统 112
3.6.1 大气高度测量 112
3.6.2 惯性/高程阻尼回路法 113
3.6.3 SINS/高程计组合导航算法 116
3.7 SINS/GNSS组合导航 120
3.7.1 SINS/GNSS松组合系统工作原理 120
3.7.2 SINS/GNSS松组合算法 121
3.8 SINS的应用 123
3.8.1 传递对准在制导火箭弹中的应用示例 123
3.8.2 弹药制导 127
第4章 火炮发射系统减速传动原理 129
4.1 火炮发射系统减速传动的用途与分类 129
4.1.1 火炮发射系统减速传动机构的用途 129
4.1.2 火炮发射系统减速传动机构分类 129
4.1.3 对发射系统减速传动机构提出的技术要求 129
4.2 减速传动装置的动力学特性 130
4.2.1 系统动力学特性的描述方式 130
4.2.2 集中参数法动力学分析 130
4.2.3 动力学模型的建立 131
4.2.4 动力学特性分析示例 135
4.2.5 机械谐振模型及谐振机理分析 136
4.2.6 机械谐振频率特征检测 140
4.3 高低机和方向机的常用传动方式 141
4.3.1 常用的齿轮传动方式 141
4.3.2 各类齿轮传动方式特点对比 146
4.4 典型减速传动机构示例 146
4.4.1 基于蜗轮蜗杆的火炮高低向齿轮弧式减速机构 146
4.4.2 基于行星传动的火炮高低向齿轮弧式减速传动机构 148
4.4.3 基于RV传动的火炮方位向齿轮圈式减速传动机构 149
4.5 最佳传动比设计 150
4.6 RV减速器设计计算实例 151
4.6.1 主要技术要求 151
4.6.2 确定主要零件的材料 151
4.6.3 基本参数设计 151
4.7 传动误差分析 154
4.7.1 传动误差的概念 154
4.7.2 静态误差分析 155
4.7.3 动态误差分析 156
4.7.4 考虑齿隙和弹性变形的传动误差分析示例 159
4.8 回程误差设计与消隙设计 163
4.8.1 回程误差分析 163
4.8.2 中心距可调消隙机构 164
4.8.3 弹簧加载浮动齿轮消隙机构 165
4.8.4 调整垫片的齿轮消隙机构 165
4.8.5 弹簧加载双片齿轮消隙机构 166
第5章 交流电机转速控制原理 169
5.1 概述 169
5.1.1 主要用途 169
5.1.2 分类 169
5.1.3 主要技术要求 171
5.2 永磁同步电机数学模型 172
5.2.1 永磁同步电机转速控制系统组成与原理 172
5.2.2 永磁同步电机结构与电机坐标系 172
5.2.3 坐标变换 173
5.2.4 坐标反变换 175
5.2.5 永磁同步电机数学模型 176
5.3 脉宽调制原理 177
5.3.1 正弦脉宽调制原理 177
5.3.2 空间矢量脉宽调制原理 181
5.4 基于零极点对消的电流控制器参数整定原理 185
5.4.1 电流环被控对象 185
5.4.2 电流调节器参数整定 186
5.4.3 零极点对消电流环仿真分析 187
5.4.4 实验 188
5.5 基于最大相位裕度的转速控制参数整定原理 190
5.5.1 速度环被控对象数学模型 190
5.5.2 基于最大相位裕度的速度控制器参数整定 191
5.5.3 转速控制系统仿真分析 194
5.5.4 实验 195
5.6 基于最优矩角补偿的转速控制原理 197
5.6.1 带有补偿角的永磁同步电机矢量控制 197
5.6.2 最优矩角补偿 200
5.6.3 仿真分析 202
5.6.4 实验 203
5.7 基于相关辨识法的转速控制参数自整定原理 206
5.7.1 相关辨识法的基本原理 206
5.7.2 相关辨识法的PMSM速度环自整定 207
5.7.3 相关辨识法自整定实验结果 212
5.8 基于递推最小二乘法的自主转速控制原理 217
5.8.1 速度环被控对象离散化 217
5.8.2 参数的递推最小二乘辨识 219
5.8.3 参数的自适应调节 221
5.9 火炮小型转速控制系统设计实例 222
5.9.1 转速控制系统技术要求 222
5.9.2 转速控制系统组成 222
5.9.3 操作台设计 223
5.9.4 角度限制器设计 224
5.9.5 碳化硅LRM型伺服驱动器设计 224
5.9.6 实验结果 230
5.10 火炮中型转速控制系统设计实例 231
5.10.1 主要技术要求 231
5.10.2 中型转速控制系统设计 231
5.10.3 中型转速控制系统电磁干扰分析 233
5.10.4 实验结果 233
5.11 火炮大型转速控制系统设计实例 234
5.11.1 设计要求 234
5.11.2 大型转速控制系统设计 234
5.12 三电平转速控制原理 236
5.12.1 三电平逆变器拓扑结构与工作原理 236
5.12.2 三电平逆变器空间矢量脉宽调制原理 241
5.12.3 三电平转速控制原理 248
第6章 防空火炮控制原理 250
6.1 概述 250
6.1.1 防空火炮的主要用途 250
6.1.2 分类 250
6.1.3 近年来国外发展的先进防空火炮 252
6.1.4 自行高炮系统的主要组成与工作流程 254
6.2 防空火控系统的主要功能和组成 255
6.2.1 主要功能 255
6.2.2 主要组成 256
6.2.3 火控系统的工作流程 258
6.2.4 主要技术要求 259
6.2.5 防空火控系统的分类 260
6.3 自行高炮雷达搜索光电跟踪火力控制原理 260
6.3.1 火控系统的主要技术要求 260
6.3.2 组成与原理 261
6.3.3 对目标进行现在点的测量和跟踪 262
6.3.4 再生角速度和记忆跟踪 262
6.3.5 独立瞄准线 263
6.3.6 目标导引 263
6.3.7 提前量解算 263
6.3.8 瞄准线和射击线稳定补偿 264
6.3.9 火炮随动系统 267
6.4 雷达系统工作原理 267
6.4.1 雷达工作的基本条件与工作频率 267
6.4.2 防空火炮雷达分类 268
6.4.3 全数字相控阵雷达系统的基本组成与工作原理 270
6.4.4 雷达系统计算原理 270
6.4.5 固态一维有源相控阵搜索雷达系统的原理 271
6.5 电视摄像机原理 273
6.5.1 电视成像技术的产生与发展 273
6.5.2 CCD摄像机成像原理及应用 273
6.5.3 分类 275
6.5.4 电视摄像机对空中目标的探测原理 276
6.5.5 主要技术指标 278
6.6 红外热成像系统原理 278
6.6.1 红外热成像技术发展概况 278
6.6.2 红外热成像系统对空中目标的探测原理 279
6.6.3 影响红外热成像系统作用距离的主要因素 281
6.6.4 红外热成像系统的探测特点 281
6.6.5 主要技术指标 283
6.7 光电跟踪系统的核心指标分析 283
6.7.1 光电跟踪系统核心指标确定的主要因素 283
6.7.2 根据核心指标对光电跟踪系统内部指标的考虑因素 285
6.8 光电系统稳定跟踪伺服技术原理 286
6.8.1 基本功能 287
6.8.2 光电系统组成与工作方式 287
6.8.3 光电转台 289
6.8.4 光电控制箱 290
6.8.5 伺服系统原理 291
6.9 火控系统精度分析 293
6.9.1 基本概念 293
6.9.2 系统误差源 293
6.9.3 随机误差源 294
第7章 防空火炮随动系统分析与校正原理 295
7.1 概述 295
7.2 测角传感器系统误差分析 295
7.2.1 测角传感器精度 296
7.2.2 测角传感器系统误差 296
7.2.3 基于自整角机的双通道测角结构分析 297
7.2.4 多级旋转变压器的测角分析 297
7.2.5 讨论 297
7.3 频域分析 298
7.3.1 希望开环对数幅频特性 298
7.3.2 校正 302
7.4 线性区关键小时间常数确定 303
7.4.1 关键小时间常数概念 303
7.4.2 关键小时间常数的确定 304
7.5 基于关键小时间常数的防空火炮随动系统设计 308
7.5.1 Ⅰ型随动系统 309
7.5.2 Ⅱ型随动系统设计 310
7.5.3 随动系统设计的解析方法 311
7.6 对力矩扰动的响应 314
7.6.1 对力矩扰动响应与对主令响应的关系 314
7.6.2 力矩扰动响应分析 315
7.7 基于主令的复合控制原理与设计 316
7.7.1 复合控制原理 316
7.7.2 Ⅰ型系统前馈补偿 317
7.7.3 Ⅱ型系统前馈补偿 319
7.7.4 复合控制的跟踪精度估算 320
7.8 基于扰动补偿的复合控制 322
7.8.1 射击力矩描述 323
7.8.2 基于频率法的线性区的射击误差分析 323
7.8.3 非线性区(饱和)的射击误差分析 326
7.8.4 射击扰动补偿分析 328
7.8.5 射击扰动负反馈控制分析 328
7.9 大范围协调控制 329
7.9.1 基本准则 329
7.9.2 误差平方根控制律 329
7.10 无前馈Ⅲ型全闭环控制随动系统原理 332
7.10.1 基于ITAE最优的Ⅲ型全闭环随动系统传递函数 332
7.10.2 幅频特性分析 334
7.10.3 位置与电流双闭环的设计 336
7.10.4 ITAE最优Ⅲ型全闭环随动系统的性能仿真 337
7.11 无前馈Ⅲ型全闭环自主控制随动系统原理 338
7.11.1 自主控制原理 338
7.11.2 基于PSO算法优化BP神经网络初始权值 338
7.11.3 基于BP神经网络自主调节PID参数 340
第8章 压制火力控制原理 343
8.1 概述 343
8.1.1 榴弹炮的主要用途 343
8.1.2 自行榴弹炮的基本组成和功能 343
8.1.3 近年来国外发展的先进榴弹炮 344
8.1.4 压制火力控制系统的分类与发展 347
8.1.5 火控系统主要技术要求 347
8.2 火控系统的组成与原理 348
8.2.1 平台惯导火控系统的组成与原理 348
8.2.2 捷联惯导火控系统的组成与原理 349
8.3 炮口初速雷达 350
8.3.1 国外发展情况 350
8.3.2 工作原理 352
8.3.3 初速雷达工作体制与工作频段 353
8.4 药温测量装置 353
8.4.1 影响药温测量精度的因素 353
8.4.2 装药的非稳态热传导模型及数值分析 354
8.5 炮兵标准气象条件 354
8.5.1 标准气象条件 354
8.5.2 气象对射击精度的影响 356
8.6 弹道解算 356
8.6.1 外弹道术语 356
8.6.2 弹道解算模型 358
8.6.3 弹道微分方程组 360
8.6.4 射表的内容 366
8.6.5 射表编制方法 368
8.6.6 弹道修正量计算 368
第9章 压制火炮随动系统分析与校正 370
9.1 概述 370
9.2 直流随动系统原理 370
9.2.1 系统组成 370
9.2.2 工作原理 371
9.3 基于车体姿态补偿的随动系统原理 371
9.3.1 系统组成 371
9.3.2 位置解算 371
9.3.3 工作原理 374
9.4 基于坐标变换的全闭环随动系统原理 374
9.4.1 系统组成 374
9.4.2 工作原理 375
9.5 基于捷联惯导系统的全闭环随动系统原理 375
9.5.1 系统组成 375
9.5.2 工作原理 376
9.6 具有稳定功能的火炮随动系统原理与示例 376
9.6.1 具有火炮线稳定功能的随动系统基本原理 377
9.6.2 基于速率陀螺前馈补偿的火炮线稳定系统设计示例 378
9.6.3 仿真验证 384
9.6.4 讨论 389
9.7 基于电动缸的随动系统原理与校正 389
9.7.1 基本参数与技术要求 390
9.7.2 火炮随动系统组成与工作原理 390
9.7.3 数学模型建立 390
9.7.4 高精度快速调炮校正与分析 393
9.7.5 高精度跟踪控制校正与分析 398
9.7.6 讨论 403
9.8 阀控电液随动系统原理与示例分析 404
9.8.1 火炮阀控电液随动系统原理 404
9.8.2 阀控液压系统原理 404
9.8.3 液压系统的油源 406
9.8.4 高低向液压系统 406
9.8.5 平衡机 408
9.8.6 方向液压系统 408
9.9 泵控缸电液随动系统原理与设计 409
9.9.1 基本参数与技术要求 410
9.9.2 系统组成与工作原理 410
9.9.3 泵控缸数学模型 412
9.9.4 试验结果 415
9.10 鲁棒控制原理 415
9.10.1 一般鲁棒控制原理 416
9.10.2 内模控制原理 417
9.10.3 H∞控制原理 418
9.10.4 滑模变结构控制原理 419
参考文献 421
京公网安备 11010102004214号