高低向炮控系统的基本工作原理及典型部件分析

（一）高低向炮控系统基本工作原理

高低向炮控系统是由电气和液压系统共同组成的自动控制系统，它的工作原理可用图4-17来说明。

图4-17　高低向炮控系统基本工作原理图

1.典型部件

（1）陀螺仪

角度陀螺仪的基座装在火炮的摇架上，并使外环轴与火炮的耳轴平行，内环轴平行于炮身轴线。旋转变压器是将角度信号转换成电压信号的元件，转子装在外环轴的一端，定子则固定在基座上。当外环平面与基座平面平行时，转子应恰好位于定子的中立位置（或称对称位置）。

速度陀螺仪的基座也与火炮摇架固定，并使框架轴平行于炮身轴线，转子轴与火炮耳轴相垂直，框架轴的一端也有旋转变压器，并且转子也应位于定子的中立位置。

旋转变压器是信号转换元件，可以把角度信号转换为交流电压信号u。当旋转变压器的转子位于定子的中立位置时，旋转变压器输出的交流电压信号为零；当旋转变压器的转子偏离定子的中立位置时，则有交流电压信号输出，其交流电压信号u 的大小与旋转变压器转子相对偏离定子的偏转角度成正比，其交流电压信号的极性取决于转子偏离中立位置的方向。

（2）放大器

晶体管放大器把角度和速度信号合成后，经过放大和相敏整流，输出两支直流电流I1、I2。当输入的交流电压信号为零时，输出的两支直流电流I1 和I2大小相等。当输入交流电压信号不为零时，这两支电流的差值大小与输入电压成比例，其差值的极性取决于交流电压信号的相位。

（3）控制电磁铁

控制电磁铁起信号转换作用，可以把晶体管放大器两支电流信号转换成电磁力矩。

图4-18所示为控制电磁铁原理图。控制电磁铁是一个旋转电磁铁，由定子和转子两部分组成。转子线圈由26 V 电源供电，转子产生一个方向固定不变的磁通Φ0。参数相同的两个定子线圈分别通以晶体管放大器输出的两支直流电流I1、I2。直流电流I1 和I2 所产生的磁通方向相反，因此，磁路气隙中的磁通Φ 实际是两磁通之差。

这样，当I1=I2 时，Φ=0；当I1＞I2 时，Φ 与I1-I2 的差值成正比，并与I1所产生的磁通方向一致；当I1＜I2 时，Φ 与I2-I1 的差值成正比，并与I2 产生的磁通方向一致。

由于定子和转子磁通的相互作用，从而使转子产生转矩。转矩的大小和两个定子线圈的电流差值成正比，电流差值越大，转子产生的转矩也越大。

控制电磁铁转子产生偏转电磁力矩，带动控制杠杆偏转，用于控制液压系统两支油路的压力差。

图4-18　控制电磁铁原理图

（4）动力油缸

动力油缸是执行元件，它把两支油路在上、下腔形成的液体压力差变为使火炮绕耳轴转动的力矩，动力油缸的缸体与火炮固连在一起，而其活塞杆的一端，通过连接器固定在炮塔上。

2.稳定工作过程

假设火炮原来位于规定的瞄准角度。此时，角度陀螺仪外环平面和基座平面平行，旋转变压器没有信号输出，晶体管放大器输出的两支直流电流相等，控制电磁铁不产生扭矩，液压放大器供给动力油缸上、下腔两支油路的压力相等，动力油缸无力矩作用于火炮，火炮便保持原位不动。

当车体俯仰振动，火炮耳轴摩擦力矩使火炮偏离原来位置时，由于角度陀螺仪的定轴性，外环平面不动，而基座平面随火炮转动一个角度，即产生一火炮失调角。此时，旋转变压器定子随基座也转过同样大小的失调角度，于是产生与失调角大小和方向相应的电压信号。这个信号经晶体管放大器和液压放大器放大处理，形成动力油缸上下腔液体压力差，即稳定力矩。火炮在稳定力矩的作用下，向原来稳定位置返回。

在火炮向稳定位置恢复的过程中，由于角度旋转变压器随同基座也向稳定位置恢复，所以失调角逐渐减小，稳定力矩也逐渐减小。当火炮恢复到稳定位置时，失调角减小为零，稳定力矩消失，火炮不再受力，但由于火炮有惯性，当火炮以一定的速度返回到稳定位置的瞬间，虽然已经没有力矩作用在它上面，但它必然在自身惯性作用下冲过稳定位置。火炮冲过稳定位置后，三自由度陀螺仪产生反方向的信号，炮控系统产生反方向的稳定力矩，使火炮再次向稳定位置运动，但到稳定位置时，又将冲过去。结果使火炮以相当大的振幅振荡不休。

为解决火炮大幅度振荡问题，通常采用增设速度反馈的控制方式。即利用速度陀螺仪的特性，产生正比于火炮运动速度的反馈控制信号，消除火炮因为惯性而产生的振荡。

3.瞄准工作过程

进行高低瞄准时，转动操纵台手柄，由变阻器输出电压，其电压的大小和极性与操纵台手柄转角的角度和方向相对应。该电压加于角度陀螺仪的瞄准电磁铁上，由它产生的电磁力矩作用于陀螺仪的内环轴。根据陀螺仪的进动特性，内环不动，外环进动，于是外环平面与基座平面出现失调角，旋转变压器产生瞄准信号，再经过晶体管放大器和液压放大器的放大与转换后，由动力油缸形成相应的瞄准力矩，使火炮以相应的速度和方向转动。在操纵过程中，实为火炮在追随陀螺仪的外环运动，只要继续转动操纵台手柄，输出瞄准电压，使陀螺仪处于进动状态，火炮便会继续转动。只有停止瞄准，将操纵台手柄松开，此时外环才停止进动。待火炮转动到失调角消失时，即停止在新的瞄准位置上。

上述两种工作过程中，一旦出现失调角，火炮立即转动，时间常数很小。另外，炮控系统控制环节放大系数很大，即使出现一个微小的失调角，系统也会产生一个很大的稳定和瞄准力矩，使火炮向稳定和瞄准位置转动。在稳定工作过程中，火炮偏离稳定位置甚小，几乎感觉不出火炮因外界干扰而产生的摆动。

4.速度信号的作用

不论炮控系统是工作在稳定工作状态还是瞄准工作状态，速度传感器的速度信号u2 均与角度传感器的角度信号u1 综合为u，去控制炮控系统的工作，调整火炮运动。速度信号来源于火炮的速度反馈，对火炮的运动起阻尼作用，可以有效地抑制火炮因惯性而产生的振荡，提高炮控系统的稳定性。可以用图4-19所绘的一组曲线来说明速度传感器及速度信号的上述作用。

图4-19　速度信号作用曲线图

由炮控系统的工作过程可知，角度信号u1 是火炮偏离给定的稳定位置，产生失调角的反映，并由它决定炮控系统对火炮的调整动作。而速度信号u2是伴随火炮运动而产生的，同样也能给出炮控系统对火炮的调整动作，只不过其规律与角度信号不同而已。从曲线组可以看出，火炮炮身轴线在稳定位置两侧做谐振摆动，速度信号u2 超前失调角的相位为90°。因此，合成信号u 也比角度信号u1 相位超前。就好像它们能预测火炮角度位置的变化趋势，提前给出调整动作一样。例如，当火炮振动越过稳定位置，以很大速度向下俯冲时，速度信号u2 乃至合成信号u 早已给出稳定力矩，在稳定位置处抵制火炮俯冲，使之不能冲过稳定位置过多，制止其振荡倾向，使火炮很快趋于稳定。引入速度信号后，火炮的实际振荡过程为图4-19（d）所示。如果仅从速度信号u2的变化规律也可以看出，由它所给出的调整动作（稳定力矩），始终与火炮的运动方向相反。这就是火炮速度反馈和速度信号的阻尼作用。

不难想到，速度信号减小火炮振荡的作用与u2 和u1 信号之间的比例有关。如果在综合信号中，速度信号u2 占的比例过小，则火炮仍将产生较大幅度的振荡；若速度信号u2 占的比例过大，由于受到过分的阻尼，将使火炮运动过程变得过于缓慢。

图4-20为3 种不同信号比例下火炮在阶跃控制下的停止过程曲线。显然，图4-20（a）所示情况较为理想，图4-20（b）所示和图4-20（c）所示情况对瞄准都不利。

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图4-20　火炮停止过渡过程曲线图

（a）角度与速度信号比例正确；（b）角度信号偏大了；（c）速度信号偏大了

综上所述，垂直向炮控系统的基本工作过程可用图4-21所示方块图来表示。

图4-21　高低向炮控系统工作过程方框图

（二）水平向炮控系统基本工作原理

水平向炮控系统的工作状态通常包括半自动工况和自动工况两种。在自动工况下，系统以陀螺仪为控制核心，可以在水平向操纵火炮瞄准，且能使火炮在水平向保持稳定。半自动工况属于炮控系统的辅助工作工况，惯性元件不参与控制过程，系统能操纵火炮水平向瞄准，但不能在水平向稳定火炮。整体工作原理图如图4-22所示。

图4-22　水平向炮控系统基本工作原理图

水平向角度陀螺仪在火炮摇架上安装时，要保证其外环轴垂直于火炮耳轴，内环轴线和炮身轴线平行。速度陀螺仪在安装时，则保证其框架轴线和炮身轴线平行，转子轴与火炮耳轴平行。实际上，水平向角度和速度陀螺仪在火炮上的安装位置，相当于将垂直向角度和速度陀螺仪转了90°角。这样就可测得炮塔水平向的角度与角速度信号。为了更清楚地了解系统的工作原理，首先介绍如下三种典型部件。

1.典型部件

（1）放大器

将陀螺传感器中角度旋转变压器输出的交流电压信号u1（角度信号）、速度旋转变压器输出的交流电压信号u2（速度信号）加到放大器上，经过信号综合、相敏整流、电压及功率放大，变为相应直流电压信号输入脉宽调制器中。其输出的直流电压信号大小与u1 和u2 的综合信号大小成正比，极性与炮塔转动方向或操纵台本体转动方向有关。

（2）脉宽调制器

脉宽调制器分两种。第一种是将放大器输出的直流电压信号转换成一路方波脉冲信号，该方波脉冲信号的占空比与放大器输出的直流电压信号的大小成正比。第二种是将放大器输出的直流电压信号转换成两路方波脉冲信号，每路方波脉冲信号的占空比与放大器输出的直流电压信号的大小和极性有关。当放大器输出的直流电压信号为零时，两路方波脉冲信号占空比相等；当放大器输出的直流电压信号增大时，相应一路方波脉冲信号占空比增大，另一路方波脉冲信号占空比减小；当放大器输出的直流电压信号极性变化时，方波脉冲信号占空比相对大的那一路脉冲信号占空比减小，方波脉冲信号占空比相对小的那一路脉冲信号占空比增大。

（3）电动机放大机

电动机放大机由电动机和放大机两部分组成，电动机部分是直流电动机，放大机部分是直流发电机，电动机电枢和放大机转子同轴。电动机由坦克直流电源供电，带动发电机转子旋转。直流发电机由定子和转子组成，定子上安装有两个控制绕组，脉宽调制器输出的方波脉冲信号分别加到发电机的两个控制绕组中，发电机的两个控制绕组由坦克直流电源供电，脉宽调制器输出的方波脉冲信号控制发电机的两个控制绕组中的电流大小。接线时保证两个控制绕组通电后产生的磁通方向相反。

对于第一种脉宽调制器，当放大器输出的电压信号为零时，脉宽调制器没有方波脉冲信号输出，电动机放大机两个控制绕组不通电，控制磁通为零，因此发电机不发电；当放大器输出的电压信号不为零时，脉宽调制器输出一路方波脉冲信号，电动机放大机只有一个控制绕组通电产生控制磁通，发电机发电。发电机输出电压的大小与脉宽调制器输出的方波脉冲信号的占空比成正比，发电机输出电压的极性与脉宽调制器输出的方波脉冲信号加到哪一个控制绕组有关。

对于第二种脉宽调制器，当放大器输出的电压信号为零时，脉宽调制器输出两路占空比相等的脉冲信号，电动机放大机两个控制绕组通电后产生的合成磁通为零，发电机不发电；当放大器输出的电压信号不为零时，脉宽调制器输出两路占空比不相等的脉冲信号，电动机放大机两个控制绕组通电后产生的合成磁通不为零，发电机发电。发电机输出电压的大小和极性与脉宽调制器输出的两路脉冲信号的占空比有关，即与放大器输出的电压大小及极性有关。

（4）炮塔电动机和方向机

炮塔电动机是直流电动机，当电动机放大机输出的直流电压加到其电枢绕组时，炮塔电动机转动。方向机是炮塔电动机的减速装置，炮塔电动机的动力传递到方向机，通过方向机内部机械机构带动炮塔转动。

2.半自动工况工作过程

半自动工况是水平向系统的一种简易工况，它是一种电传动系统。半自动工况瞄准时，水平向陀螺传感器（角度和速度传感器）的信号被切断，系统完全靠炮长操纵台控制。

当炮长转动操纵台本体时，瞄准信号输入脉宽调制器（早期炮控系统由放大器和极化继电器构成，后期炮控系统由开关管或PWM 驱动模块构成），经脉宽调制器综合处理后，输出一路或两路方波脉冲信号加到电动机放大机相应控制绕组中，电动机放大机相应控制绕组通电产生磁通、发电。电动机放大机输出电压大小正比于炮长操纵台本体的转角，而极性与炮长操纵台本体转动的方向相对应。电动机放大机输出的电压加到炮塔电动机的电枢上，炮塔电动机转动，通过方向机减速，带动炮塔按炮长所示方向和速度转动，达到调转火炮的目的。当炮塔转动到所需要的位置时，松开操纵台本体，瞄准信号为零，脉宽调制器没有方波脉冲信号输出，电动机放大机控制绕组不通电，控制磁通为零，电动机放大机不发电，炮塔电动机停止转动，使炮塔停止在新的位置上。

3.自动工况工作过程

在自动工况下，水平向炮控系统的控制过程与高低向炮控系统类似，陀螺稳定控制信号起核心作用。其中，角度信号控制水平向炮控系统位置环，是稳定和瞄准的主信号；速度信号控制系统的速度环起反馈阻尼作用，防止炮塔由于惯性而引起的振荡现象。放大环节包括信号放大、脉宽调制和功率放大，通常分别由脉宽调制器和电动机扩大机完成。最后，信号加到炮塔电动机上，炮塔电动机转动，通过方向机减速传递，驱动炮塔转动。

（1）稳定工作状态

当火炮（炮塔）位于稳定位置时，陀螺传感器输出的角度信号和速度信号为零，角度信号和速度信号经放大器、脉宽调制器综合处理之后，脉宽调制器控制电动机放大机控制绕组产生的合成磁通为零，电动机放大机不发电，炮塔电动机不转动，炮塔保持原位不动。

当由于车体振动使火炮（炮塔）水平向偏离原来的稳定位置时，陀螺传感器检测炮塔水平向偏离原来稳定位置的角度信号和速度信号。该角度信号和速度信号输入放大器中处理，放大器输出相应直流电压信号加到脉宽调制器中，脉宽调制器控制电动机放大机控制绕组产生相应的合成磁通，从而电动机放大机发出相应大小和极性的直流电压加到炮塔电动机的电枢上，于是炮塔电动机转动，产生稳定力矩传递到方向机驱动炮塔向稳定位置运动。

当炮塔恢复到稳定位置时，陀螺传感器输出的角度信号和速度信号为零，放大器输出的直流电压信号为零，脉宽调制器控制电动机放大机控制绕组产生的合成磁通为零，电动机放大机不发电，炮塔电动机不转动，炮塔在稳定位置稳定，火炮保持原方向角不变。

在稳定过程中，由于水平向速度陀螺仪产生的速度信号起阻尼作用，使火炮偏离角的产生和消除过程都在极短的时间内完成，故可以认为火炮事实上是被稳定在原来方向角上的。

（2）瞄准工作状态

炮长转动操纵台本体接通水平向瞄准电路，操纵台输出的控制信号输入陀螺传感器，经陀螺传感器处理后，陀螺传感器输出角度信号与速度信号到放大器，经过放大器综合处理，放大器输出相应的直流电压输入脉宽调制器中，脉宽调制器控制电动机放大机控制绕组产生相应的合成磁通，从而电动机放大机发出相应大小和极性的直流电压加到炮塔电动机的电枢上，于是炮塔电动机转动，产生瞄准力矩传递到方向机驱动炮塔以相应速度向瞄准方向运动。当停止瞄准时，操纵台本体返回原位，瞄准电路被切断，角度信号与速度信号为零，火炮在新方向角稳定。

瞄准方向与操纵台本体转动方向一致，瞄准速度与操纵台本体转动角度成正比。水平向炮控系统的一般工作过程可以简单地用图4-23所示的方框图表示。

图4-23　水平向炮控系统工作过程方框图