弹库系统弹列运动建模与仿真

收稿日期：2002-08-22
第20卷第10期
计算机仿真
2003年10!
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文章编号：1006-9348（2003）10-0024-03
弹库系统弹列运动建模与仿真
胡学工1，石磊1，单家元2
（1.北京机械工业自动化研究所自动控制与物流技术工程研究中心，北京100011；2.北京理工大学机电工程学院，北京100081）摘要：弹库系统是向舰炮发射系统补弹、供弹的复杂机电系统。

该文以某型弹库系统为例，介绍了弹库系统的组成与功能，弹库系统的建模目标与内容，研究了弹库操控逻辑，弹列运动的基本规律，采用离散系统的分析方法，从弹列的状态描述变量、事件的描述函数和动作的功能函数三个方面，建立了弹列运动的模型，编制了仿真程序，实现了弹库操控与弹列运动基本算法。

该仿真系统可用于弹库系统总体设计、弹列运动调度算法研究。

关键词：弹库；弹列运动；建模与仿真中图分类号：TP391.9
文献标识码：A
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弹库系统组成与功能
舰炮火力系统是保障舰船安全、抗击来敌攻击的有效的
武器系统，它由火力指控系统、发射系统和弹库系统组成。

一般来说，弹库系统的功能主要是：向弹库装弹、从弹库退弹；储存、运输弹药；向发射系统提供弹药。

由于作战目的的不同，弹库系统需要储存多种不同类型的弹药，因此需要针对各型弹药的特点，设计不同的补弹、供弹通道。

某型舰炮的弹库系统采用了分开补弹、直接供弹（I 型）、中间弹仓过渡供弹（II /III 型）的供补弹方式，各型弹具有各自的弹列运动规律。

为实现上述功能，该弹库系统采用了下述机构：
1）
补弹机构：主补弹链（I 型）、副补弹链（II /III ）、扬弹机、弹链选择器、差动器、换向器、副链拨叉和导向器。

2）供弹机构：固定弯道、中间弹仓、活动弯道、上拨叉、下拨叉。

通过这些机构，弹库系统在弹药控制系统的控制下，接收操控面板的控制指令，形成驱动弹库机构运动的逻辑、弹链运动方向和周期数指令，弹链带动炮弹按照一定速度移动到要求的位置。

"
弹库系统建模与仿真
根据上文分析，弹库系统应当是一个涉及机械、电气、控
制和计算机的复杂系统，就其组成，可分为弹药控制系统、补弹机构、供弹机构三大部分，其分析、设计、操作、使用和维修都很困难，因此仿真技术在弹库系统上有很大的应用前景。

根据弹库系统的组成、结构和功能，弹库系统的模型应当包括以下四个层次：
1）
弹列运动模型：研究各型炮弹在弹库系统各机构的弹位中的运动规律。

目的在于分析各种工况条件下，弹列运动情况，以便于研究新的弹列调度算法，即设定工况条件、制定
控制逻辑。

2）
弹库操控与安全保障系统建模：研究分析在人工和自动控制方式下，为保证弹列运动的正确、可控、安全，各操控按钮（指令）、指令间的逻辑关系、弹位传感器的设置及处理模型，故障检测点的设置及处理模型。

目的在于结合弹列运动、控制系统、机构运动模型，分析按钮、传感器和检测点设置的合理性和研究新的处理算法。

3）
弹库机构闭环伺服控制系统模型：建立弹库补弹、供弹机构的速度和位置伺服控制系统的模型。

包括控制算法（PID ）、执行机构（伺服阀+液压马达）、反馈元件（测速机、自整角机）、控制对象（质量、惯量、传动比等）的模型。

目的在于分析各种可能影响弹库系统性能（比如射速）的各种因素、便于设计新的控制系统参数。

4）
弹库机构机械运动建模；建立油缸（拨盘、换向器、差动器、导向器、弹链选择器）、弹链（拨插）、弹鼓等的机械运动建模，即对各机构进行动力学和运动学建模，实质上是对控制对象模型的深化。

目的在于分析各机构对指令动作的执行情况，以便于设计新的机构参数，为整个控制系统分析提供控制对象参数。

这四个层次的模型可以满足不同的仿真目标：1）第一和第二层次的模型可以用于为操作使用人员提供操作使用弹库的训练仿真系统。

并为研究人员分析现有弹库的总体设计思想提供支持。

2）第三和第四层次则为研究人员分析弹库系统性能及其影响因素服务，为设计人员设计新的弹库系统，建立弹库虚拟样机系统奠定基础。

本文仅从系统总体角度，建立第一、二层次的模型，主要是弹列运动模型，分析弹列调度算法，研究弹列运动规律。

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弹列运动建模
#.!
弹列运动基本规律
如果以一个周期位为一个时间间隔来考察研究炮弹在
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弹库系统中的运动情况的话，那么实质上就是忽略弹链、拨叉、拨盘等机构在一个周期位运动过程，而只研究每个周期位时刻的弹列状态，那么可以将炮弹运动离散化为炮弹在各个弹位上的运动。

由于弹链是联动的，炮弹是连续的，因此可以用弹列运动来描述弹库系统中炮弹运动这一过程。

弹列在机构中的运动是可控的，有规律可循的，图l表示了各型弹在机构中的基本运动情况。

图!各型弹在各机构中的运行顺序
其中!、"型弹需要在副链和中间弹舱中循环移动
l）炮弹在图示各机构的弹位中运动，弹列运动通道由拨叉、换向器、差动器、导向器、弹链选择器、弹鼓等弹库机构根据操控指令自动搭建。

2）整个弹库系统弹位数量：主链90个、副链l2个、固定弯道7个、中间弹仓l8个、活动弯道3个。

3）I型弹列仅在主链中储存，可预停于固定弯道和活动弯道末端，依上图次序在弹库中顺序排列、移动，中间弹仓的2个弹位为其过渡通道。

4）II/III型弹储存于副链和中间弹仓中，在副链中为“6+ 6”的两段式顺序存放，在中间弹仓中为“l+l+l”（其中的一个“l”为I型弹过渡位）的间隔式存放。

5）副链和中间弹仓为循环机构，II/III型弹可以在它们之间进出。

弹列在它们之间出/入时，接受弹列的机构必须有足够的弹位，弹列移动之前必须先将两个机构先后定位在II/III型弹上，再进行弹位移动。

6）主链、副链和扬弹机由补弹马达控制，固定弯道、中间弹仓、活动弯道由供弹马达控制，两者可实现联动，其他四个机构移动一个弹位，中间弹仓必须移动三个弹位。

".#弹列运动模型描述
按照时间序列建模思想，弹列运动的模型实质上就是炮弹在各弹位的状态（位置）随时刻（离散点）的连续变化规律，而这种状态的变化是由事件驱动的，这里的事件实质上就是各种控制指令。

因此弹列运动模型就是描述弹列状态受指令驱动后，随时刻变迁的规律。

若用status（k）描述某时刻的弹位状态集合，则弹列运动模型就是描述弹列从弹列输入状态集到弹列输出状态集的变迁过程的模型。

l）弹列状态描述
为描述方便，按照弹库弹位的分布情况，可以将弹列状态集分解为主链弹列状态集、副链弹列状态集、固定弯道弹列状态集、中间弹仓弹列状态集和活动弯道弹列状态集。

｛status（k），k=0，…，｝=｛Mainstatus（k），k=0，…｝!｛secondstatus（k），k=0，…｝!｛Middiestatus（k），k=0，…｝!｛Fixstatus（k），k=0，…｝
可以用以下的弹列头、弹列尾指针（弹列在弹库所处位置：哪个机构的哪个弹位），以及炮弹型号和数量等变量来描述弹列状态。

这些变量的具体取值范围受机构本身特性的限制。

主链：｛Mainstatus（k），k=0，…｝：
［Main~ead（Maintype），Mainend（Maintype），Mainnum（Maintype）］
副链：｛secondstatus（k），k=0，…，｝：［second~ead（sec-ondtype），secondend（secondtype），secondnum（secondtype）］固定弯道：｛Fixstatus（k），k=0，…，｝：［Fix~ead（Fix-type），Fixend（Fixtype），Fixnum（Fixtype）］
中间弹舱：｛Middiestatus（k），k=0，…，｝：［Main~ead （Maintype），Mainend（Maintype），Mainnum（Maintype）］活动弯道：｛Activestatus（k），k=0，…，｝：［Active~ead （Activetype），Activeend（Activetype），Activenum（Activetype）］当弹库处于自动控制状态下，弹列一般处于一些特定的基本状态，如：I型弹列头在主链农端；I型弹列头在固定弯道末端；I型弹列头在活动弯道末端；I型弹列尾在主链首端；II/ III型弹在副链（弹列指针循环）；II/III型弹在中间弹仓（弹列指针循环）；II/III型弹弹列头在活动弯道末端等。

2）事件描述
事件实质上就是，通过操控面板按钮等发出控制指令，根据弹库初始系统状态（包括弹列状态）经综合处理后，形成驱动弹列运动的事件，事件的作用是描述了弹库系统的最终状态。

这里用函数event（Orec，status），该函数实际上为一二维表格。

3）变迁过程———运动过程描述
建模的最终目的是描述弹库系统状态（包括弹列状态）的变化过程，即系统的变迁过程，可以将这一过程转换为描述机构连续运动过程、或简化为弹列间歇运动过程。

这里指的弹列运动仅考虑弹列间歇的运动。

可以这样来描述弹列的运动过程：根据事件函数确定的弹列最终状态，在弹列当前状态下，确定弹列运动方向和运动周期数，将弹列指针作相应调整，驱动机构运动相应周期数。

针对每一个事件，都有一个相应的描述函数，这些函数以系统状态（机构状态、弹列状态）、事件（指令）为输入变量，系统状态为输出变量。

这种描述运动规律的函数以功能函数的形式体现Process。

如主链前进一个周期位、主链后退一个周期位，副链前进一个周期位、副链后退一个周期位等。

以上三个部分即构成了完整的描述弹列运动的完整的模型。

$弹列运动仿真
要研究弹列运动规律，必须根据事件，调用相应功能函数，驱动弹列运动，仿真是实现这一过程的主要手段。

弹列运动是由事件和仿真时钟驱动的，图2描述了弹列运动的仿真过程：
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2
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图!弹列运动仿真演示
图"
弹列运动仿真程序流程
1）在稳态情况下，弹列的状态是可以确定的，因此弹列的运动实际上是按照特定规律在几个确定的弹列状态的间进行切换的，可以将这些确定的状态定义为一组弹列的基本状态列表。

2）为产生事件，应当定义操控面板的操作按钮和开关的描述变量。

通过这些描述变量和弹列的初始状态，确定弹列的目标状态，弹列的初始和目标状态均为上述基本状态。

这些描述变量可以通过一个
虚拟的弹药控制箱操控面板，通过仿真产生。

3）为了简化描述运动规律的功能函数的仿真实现，可以将其进一步分解为更详细基本功能函数，如对弹列头/尾的指针、炮弹数量的操作等。

4）
不考虑机构动作的响应过程，包括油缸带动拨插等搭建通道、弹链运动的过程，仅只作状态变量考虑。

因此仿真机构动作时只是改变机构状态变量，并显示。

5）
“弹列移动一位”实际是将弹列指针移动一位；“弹链移动一个周期位”，考虑是为将来作弹链连续运动仿真时嵌入解算模块，在弹列运动仿真时，实际只对弹列运动的周期数进行操作。

根据以上的弹列运动模型、仿真程序流程、具体的描述变量和实现函数，本文在Windows 下用VC ++实现了上述程序逻辑，从而实现了弹库系统弹列运动的仿真演示。

该仿真演示系统实现功能是：
1）模拟弹药控制箱控制面板，
可以进行弹库常规操作2）以弹位颜色和虚实显示弹位的状态，以二维动画显示弹链连接机构的工作状态
3）可以进行主链、
副链的装弹、卸弹、退弹；中间弹仓自动装弹和退弹；活动弯道的自动装弹和退弹；固定弯道的自动装弹和退弹；发射等的演示。

图3即为该仿真系统演示的弹列运动情况。

#结论本文仅从弹库系统总体角度上分析研究了弹库机构控制逻辑和各型弹列的运动规律，将弹列随弹链的连续运动，简化为间歇的离散运动，用弹位中炮弹的状态变化描述了弹列的运动情况。

从弹列运动仿真的需要出发，研究了弹库操控逻辑，并用软面板予以实现，用弹位颜色和虚实仿真弹位炮弹状态，实现了三种弹型弹列在各种操控条件的运动仿真。

在此基础上，可以在第二、三、四三个层次开展进一步工作，研究弹列运动状态变化的中间过程，建立弹库安全保障系统、伺服控制系统、机构动作等模型，为控制系统设计、机构设计、系统性能分析服务。

通过对整个复杂系统的仿真建模，建立了清晰的舰炮弹库研究模型，对某型舰炮研制改进中的可靠性分析及操作员培训具有指导意义。

参考文献：
［1］刘藻珍，魏华梁.系统仿真［M ］.北京：
北京理工大学出版社，1998.
［2］顾启态.离散事件系统建模与仿真［M ］.北京：
清华大学出版社，1999.
［3］詹跃东等.基于petri 网的物流自动化系统建模与仿真研究［J ］.
系统仿真学报，2001，13（4）：501-
504.
［作者简介］
胡学工（1970-），男（汉族），河南郑州人，北京机械
工业自动化研究所自控中心工程师，硕士，获机械院科技成果三等奖一项，研究方向为工业自动化、物流控制与仿真；
石磊（1976-），男（汉族），河南郑州人，北京机械
工业自动化研究所自控中心助理工程师，本科，研究方向为PLC 控制、物流控制与仿真；
单家元（1967-），男（汉族），湖北省黄梅县人，北京理工大学机电工
程学院教授，博士，研究方向为导弹控制制导、半实物仿真、分布交互仿真，现任计算机仿真分会理事。

（下转第84页）
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6结论
本文提出了一种三维海底地形的显示方法，该方法具有较高的真实感，能够逼真地模拟出海底复杂的地形环境；同时，该方法还具有良好的计算性能，模拟海底地形运动的计算量较小，很好地满足了工程应用中对动画实时性的要求。

另外，这种方法运动控制计算较为简单、直观。

在底层显示方式的基础上，本文给出了高层的方案，进一步提出简化三维海底地形难度的方法，基于OpenGL的设计具有较强的可移植性，二次开发模型设计工作量较小。

最后，由于模拟运动的计算量与网格模型的规模呈线性关系，所以该方法具有可扩放性。

进一步的工作可以集中在以下一些方面：进一步优化显示环节，找到显示精度与显示速度的较好的平衡点；通过引入接口转换模块获取多种海底地形数据，分析海底地形特点，建立通用的地形特征库；针对该方法设计一种更为高效的三维海底地形表示方法，将通用的地形同海底地形数据有机的结合显示。

参考文献：
［1］Richard Swright.OpenGL超级宝典［M］.人民邮电出版社，2001-6.［2］吴斌，毕丽蕴.OpenGL编程实例与技巧［M］.人民邮电出版社，1999-12.
［3］徐全生等.利用OpenGL实现三维有限元网格图的消隐显示［J］.沈阳工业大学学报，2000-6.
［4］孙家广等.计算机图形学［M］.清华大学出版社，1998-9.
［5］马小虎.虚拟现实中多层次细节模型的研究［D］.浙江大学博士学位论文，1997.
［6］Tsung-Pao Fang and Les A Piegi.Deiaunay trianguiation using a uni-form grid［J］.IEEE Computer Graphics and Appiications1993，13（5）：36-47.
［7］Michaei Gariand.Simpiifying Using Ouadric Metrics［C］.Computer Graphics（SIGGRATH Proceeding），1997.209-
216.
［作者简介］
郝燕玲（1944.1-），女（汉族），山东人，哈尔滨工程
大学自动化学院407教研室，博士生导师，教授，研
究领域：导航制导与控制，三维数据场可视化；
路辉（1977.5-），女（汉族），黑龙江人，哈尔滨工
程大学自动化学院407教研室，博士研究生，研究领域：导航制导与控制，三维数据场可视化。

A Study on Representation of Seabed Terrain Based on OpenGL
Hao Yan-iing，Lu Hui
（Automation Coiiege，Harbin Engineering University，Harbin Heiiongjiang150001，China）
ABSTRACT：The simuiation method of three-dimension seabed terrain is given in this paper，which has upper presence and can render seabed environment reaiistic.Meanwhiie this method has exceiient caicuiation capabiiity and is satisfied the reai time reguirement in engineer-ing appiication.In additionai the higher-ievei scheme is put forward based on the rock-bottom controi mode and the simpiification method is advanced，so the three-dimension presentation and movement simuiation is achieved.
KEYWORDS：Terrain；Projection；Reai time
（上接第26页）
Modelling and Simulatiom on Projectile(ueue Motion of Magazine System
HU Xue-gong1，SHI Lei1，SHAN Jia-yuan2
（1.Beijing Research Institute of Automation for Machinery Industry，Beijing100011，China；
2.Schooi of Mechano Eiectronics Engineering，Beijing Institute of Technoiogy，Beijing100081，China）ABSTRACT：Magazine system is the compiex mechatronics system that repienishes and feeds the projectiies for the firing system of the navai gun.An exampie is iiiustrated by this articie based on the magazine system of a kind.The composition and function of the magazine system，the object and content of the modeiing of the magazine system are introduced.The operation and controi iogic of the magazine and the basic ruie of the projectiie gueue motion are studied.The anaiysis method of the discrete system is used and the modei of the projectiie gueue motion is created by the state description variabies of the projectiie gueue，description functions of the event and function functions of the action.The simuiation program is programmed.The basic aigorithm of both the operation and controi of the magazine and projectiie gueue motion is achieved.The simuiation system is suitabie for both the overaii design for the magazine system and the scheduie aigorithm study for the projec-tiie gueue motion.
KEYWORDS：Magazine；Projectiie Oueue Motion；Modeiiing and Simuiation
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