陳高華，賈彥斌，李熒興

（1.太原科技大學電子信息工程學院，太原 030024；2.北方自動控制技術研究所，太原 030006）

火箭炮位置伺服系統(tǒng)的魯棒性多內模控制*

陳高華1，賈彥斌2，李熒興2

（1.太原科技大學電子信息工程學院，太原 030024；2.北方自動控制技術研究所，太原 030006）

為了實現(xiàn)火箭炮交流伺服系統(tǒng)的高精度位置跟蹤控制，引入補償模塊，設計了一種魯棒多內模預估控制器，是一種適應于參數(shù)時變的控制器。理論分析和仿真結果表明，所提出的方法設計簡單，參數(shù)調整方便，可以使系統(tǒng)同時具有良好的目標值跟蹤特性、干擾抑制特性和魯棒性。

火箭炮，伺服系統(tǒng)，內?？刂?，參數(shù)時變，參數(shù)調整，魯棒性

引言

交流伺服系統(tǒng)是用于火箭炮方位射向高精度自動瞄準和俯仰射角高精度自動瞄準的有效途徑?；鸺诰哂袗毫拥呢撦d特性［1］，為了克服系統(tǒng)的參數(shù)變化和外界干擾的不良影響，實現(xiàn)高精度射擊等要求，必須提高火箭炮位置伺服系統(tǒng)的控制性能。內?？刂剖且环N實用性很強的控制方法，其主要特點是結構簡單、調節(jié)性能好、易于在線分析，特別是對于魯棒及抗干擾性的改善和大時滯系統(tǒng)的控制，效果尤為顯著［2-3］。但是當估計模型和實際對象存在較大誤差或對象存在嚴重的非線性特性時，控制品質會下降［4-5］。

為了充分發(fā)揮內?？刂频膬?yōu)越性能，使之具有更強的適應性，本文提出了一種魯棒性的多內?？刂品椒ǎ麄€設計過程簡單清晰，控制器參數(shù)調整方便。將所設計方法運用于某火箭炮交流伺服系統(tǒng)，對位置環(huán)進行仿真，結果表明本文方法可以使系統(tǒng)同時具有良好的目標值跟蹤特性、干擾抑制特性和魯棒性。

1 內?？刂圃?/h2>

內?？刂平Y構如下頁圖1所示，其中G0，0，Gc分別為被控對象、標稱數(shù)學模型（內部模型）和內?？刂破?。r，y，ym，v分別為系統(tǒng)的輸入、輸出、模型輸出和擾動。

系統(tǒng)輸出與輸入、系統(tǒng)輸出與擾動間的傳遞函數(shù)分別為：

圖1 內?？刂平Y構圖

系統(tǒng)的閉環(huán)響應為：

系統(tǒng)的反饋信號為：

如沒有外界擾動，即V（s）=0，且模型精確，即G0（s）=0（s），則反饋信號Dm（s）為零，模型的輸出與系統(tǒng)的輸出相等，內?？刂葡到y(tǒng)具有開環(huán)結構。如果存在外界擾動，即V（s）≠0，且模型精確，即G0（s）=0（s），此時反饋信號Dm（s）=V（s），這表明引入內部模型后，反饋量已由原來的輸出全反饋變?yōu)閿_動估計量Dm（s）的反饋，相當于一個擾動估計器，Gc（s）相當于一個擾動補償器。

2 多內?？刂葡到y(tǒng)設計

2.1 多內?？刂平Y構設計

內模控制作為時滯系統(tǒng)中的一種有效控制方法，在應用上仍然存在一些問題，如對于時變對象時常出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。本文引入補償模塊，設計了一種適應于參數(shù)時變的多內?？刂平Y構。如圖2所示。圖2的等效結構如圖3所示。

圖中Gc（s）、Go（s）、G0（s）、P（s）分別為控制器、被控對象、對象的數(shù)學模型和補償模塊。

由圖3可得系統(tǒng)輸出與輸入、系統(tǒng)輸出與擾動間的傳遞函數(shù)分別為：

圖2 多內?？刂平Y構

圖3 多內模控制等效結構

由此可得為達到系統(tǒng)無靜差調節(jié)，G0（s）及P（s）的靜態(tài)增益應與G0（s）的靜態(tài)增益相同。

當系統(tǒng)參數(shù)攝動時，補償模塊P（s）固定在近乎最優(yōu)結構的模型時，可以不必經(jīng)常改變控制器參數(shù)，以提高系統(tǒng)的魯棒性。

2.2 控制器Gc（s）的設計

控制器Gc（s）采用不完全微分型PID，即

設對象的最優(yōu)估計模型為：

其中T1＞T2，?。?/p>

選擇Gc（s）的參數(shù)為：Ti=T1，TD=T2，Td=TD/v（v為1～20），當0（s）≈G0（s）時，由式（5）可得：

無因次化為：

取2ωnζ=1.414，則得Kp的優(yōu)化參數(shù)為：

3 仿真及結果分析

為了驗證控制方法的有效性，將本文設計的多內?？刂破髋c常規(guī)內模控制器運用于某火箭炮交流伺服系統(tǒng)，對位置環(huán)進行仿真。根據(jù)文獻［6］，設系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

將式（15）變換為二階加時滯模型［7］，即：

其中α為一個足夠大的數(shù)（本文取α=10 000）。

P（s）取近乎最優(yōu)結構的模型，即：

控制器Gc（s）的參數(shù)為：

Ti=10 000，TD=0.007 3，Td=TD/v，根據(jù)式（14）可得Kp的值。

當位置給定為80°，在t=0.6 s時加入一個階躍擾動，取v=2，Td=TD/v=0.003 65，Kp=2.83。圖4為模型精確時常規(guī)內?？刂坪捅疚姆椒ǖ奈恢庙憫€，由圖可見本文方法響應速度快，干擾抑制能力強，具有較好的動態(tài)響應性能，控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)內模控制。圖5、圖6為系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時常規(guī)內?？刂坪捅疚姆椒ǖ奈恢庙憫€，當T失配40%，即T=0.004 38時，響應曲線如圖5，當T失配40%，即T=0.004 38，τ失配50%，即τ=0.000 3時，響應曲線如圖6，由圖可見本文方法具有更強的魯棒性。

取 v=6，Td=TD/v=0.001 22，Kp=8.47。當 T失配40%，即T=0.004 38，常規(guī)內?？刂坪捅疚姆椒ǖ奈恢庙憫€如圖7所示，比較圖7和圖5可以發(fā)現(xiàn)，當v增大時，系統(tǒng)的響應速度加快，干擾抑制特性增強，但超調會增大。

圖4 v=2模型精確時位置響應曲線

圖5 v=2當T失配40%時位置響應曲線

圖6 v=2當T失配40%失配50%時位置響應曲線

圖7 v=6當T失配40%時位置響應曲線

4 結 論

針對火箭炮交流伺服系統(tǒng)這一非線性、不確定時滯對象，本文提出了一種魯棒性多內?？刂品椒?，通過引入補償模塊，設計了一種適應于參數(shù)時變的多內?？刂平Y構。仿真結果表明，本文方法可以使系統(tǒng)同時具有良好的目標值跟蹤性能、干擾抑制特性和魯棒性。系統(tǒng)總體性能較好，控制器參數(shù)調整方便，算法簡單、易實現(xiàn)。

［1］胡 健，馬大為，郭亞軍，等.基于Elman網(wǎng)絡的自適應火箭炮交流位置伺服系統(tǒng)［J］.彈箭與制導學報，2010，30（5）：181-184.

［2］戴文站，丁 良，楊愛萍.內模控制研究進展［J］.控制工程，2011，18（4）：487-495.

［3］周 涌，陳慶偉，胡維禮.內?？刂蒲芯康男掳l(fā)展［J］.控制理論與應用，2004，21（3）：475-482.

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［5］Liu T，Gao F.New Insight Into Internal Model Control Filter Design for Load Disturbance Rejection［J］.IET Control Theory and Applications，2010，4（3）：448-460.

［6］柴華偉，馬大為，李志剛.火箭炮交流伺服系統(tǒng)的內模PID控制［J］.電氣自動化，2006，28（5）：17-19.

［7］趙志誠，劉志遠，張井崗.一種時滯過程內模PID控制器魯棒整定方法［J］.信息與控制，2010，39（5）：526-530.

Robust Multiple Internal Model Control of Rocket Launcher Position Servo System

CHEN Gao-hua1，JIA Yan-bin2，LI Ying-xing2
（1.School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China；
2.North Automation Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China）

In order to realize high precision position tracking control in rocket launcher position servo system，through the introduction of compensation module，a robust multiple internal model controller is designed in the paper，it is a controller which suitable for parameter variation.The theory analysis and simulation results show that the proposed method has the advantages of simple design，convenient parameter adjustment，the system can also have good target tracking performance，disturbance rejection and robustness.

rocket launcher，servo system，internal model control，parameter variation，parameter tuning，robustness

TP273

A

1002-0640（2014）09-139-03

2013-10-20

2013-12-07

山西省青年科技研究基金資助項目（2012021015-3）

陳高華（1978- ），女，山西原平人，碩士，副教授。研究方向：智能控制等。