雷雨晴，張 博

（渤海大學(xué) 遼寧 錦州 121000）

基于專家PID控制的壓電彈藥設(shè)計

雷雨晴，張 博

（渤海大學(xué) 遼寧 錦州 121000）

壓電陶瓷作為驅(qū)動器應(yīng)用于彈頭偏轉(zhuǎn)是一種新型技術(shù)，但是壓電陶瓷具有遲滯性和蠕變性，導(dǎo)致輸出達不到理想結(jié)果，本文針對如何提高壓電彈藥精度，提出專家PID控制算法彌補壓電陶瓷驅(qū)動器遲滯性和蠕變性，利用單片機編程，通過SIMULINK仿真系統(tǒng)靜態(tài)性能，確定主要參數(shù)，結(jié)果表明基于專家PID控制的壓電彈藥系統(tǒng)具有高精度、響應(yīng)快特性，符合彈頭偏轉(zhuǎn)彈藥的設(shè)計要求。

壓電陶瓷；彈頭偏轉(zhuǎn)技術(shù)；專家PID控制；單片機

現(xiàn)代作戰(zhàn)要求傳統(tǒng)彈藥以其制造簡單，價格低廉，火力威猛等特點在戰(zhàn)爭中發(fā)揮巨大作用，但其缺點也暴露地越來越明顯，與靈巧彈藥[1]相比，最大的不同在于靈巧彈藥可以自動鎖定目標范圍，制定軌道并完成攻擊，靈巧彈藥是80年代以后發(fā)展起來的新型彈藥，末敏彈、末制導(dǎo)及制導(dǎo)彈藥、彈道修正彈藥等都是靈巧彈藥的典型代表。目前，很多彈藥姿態(tài)控制機構(gòu)比如斜盤式偏轉(zhuǎn)機構(gòu)[2]、電機絲杠推桿式機構(gòu)[3]、磁效伸縮導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)等都采用偏轉(zhuǎn)彈頭思想，偏轉(zhuǎn)彈頭導(dǎo)彈具有控制效率高，機動過載大，響應(yīng)速度快等優(yōu)點，由此可見，彈頭偏轉(zhuǎn)技術(shù)已成為彈藥姿態(tài)控制研究熱點之一。本文分析壓電陶瓷應(yīng)用于彈藥姿態(tài)控制系統(tǒng)不足之處，發(fā)現(xiàn)疊堆型壓電陶瓷的遲滯性和蠕變性影響輸出，在對專家經(jīng)驗進行總結(jié)并獲取5條控制規(guī)則后，提出專家PID控制實現(xiàn)彈道修正，專家PID控制實質(zhì)就是基于受控對象和控制規(guī)律各種經(jīng)驗，以智能的方式利用這些知識來設(shè)計控制器；結(jié)合壓電彈頭偏轉(zhuǎn)角度分析彈丸受力情況；最后通過仿真證明設(shè)計可行性。

1 基于專家PID壓電驅(qū)動機構(gòu)

1.1 偏轉(zhuǎn)彈頭修正彈道分析

壓電陶瓷作為驅(qū)動器應(yīng)用于彈頭偏轉(zhuǎn)[4]是一種比較前沿的導(dǎo)彈控制方式，在彈頭內(nèi)部均勻地放置四根陶瓷桿，彈頭通過球形鉸鏈與彈體連接，同時在其中兩根對立的壓電陶瓷桿施加相反電壓，由于逆壓電效應(yīng)[5]即在晶體上施加電場引起極化時，晶體產(chǎn)生應(yīng)變或應(yīng)力，一根伸長，另一根縮短，彈頭發(fā)生偏轉(zhuǎn)，達到修正彈道的目的，由此可知彈頭偏轉(zhuǎn)角度與壓電陶瓷輸出位移密切相關(guān)，只要有效控制壓電陶瓷輸出位移就可以得到理想的偏轉(zhuǎn)角。由于彈丸受空氣阻力和多種因素影響，重力可以忽略不計，彈體受力情況分析[6]如圖1所示，其中O1x1y1z1為彈體飛行過程中彈頭未偏轉(zhuǎn)時的彈體坐標系，O2x2y2z2是彈頭偏轉(zhuǎn)一定角度的彈體坐標系。

圖1 彈體受力情況分析

當彈頭偏轉(zhuǎn)一定角度時，彈體在一定條件下可以獲得附加氣動力，而這個力可用來當作彈道修正氣動控制力。阻力、升力及靜力矩分別表示為：

1.2 驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

眾所周知，遲滯性和蠕變性是壓電陶瓷固有屬性[7]，遲滯性是指正反向電壓—位移特性曲線不同，存在回差，遲滯最突出的特點是系統(tǒng)下一刻的輸出位移取決于當前時刻的輸入輸出以及之前的輸入，即壓電陶瓷的兩條正反電壓—位移曲線之間形成一個回路，而且沒有對稱軸，如圖2所示是遲滯特性曲線圖；蠕變性是指電介質(zhì)內(nèi)部晶體在持續(xù)的電壓刺激后，當壓電陶瓷兩端輸入電壓值不再變化時，輸出位移值繼續(xù)緩慢變化，在一段時間后才會穩(wěn)定到一個固定值，也就是說在壓電陶瓷兩端施加一定電壓后，其位移變化分為兩個階段，第一階段會在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生明顯的位移，第二階段位移會隨著時間緩慢達到一穩(wěn)定值?？梢圆捎孟鄳?yīng)的驅(qū)動控制方法[8]彌補其不足之處，但是并不能徹底消除。因此，本文采用閉環(huán)原理并設(shè)計一個專家PID子控制器能有效地提高其輸出位移，從而增大彈頭偏轉(zhuǎn)角，單片機編程專家PID算法，基于改進的PID壓電驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 壓電陶瓷遲滯特性曲線圖

圖3 基于改進的PID壓電驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖

壓電陶瓷驅(qū)動方法大致分為3種：電壓控制型[9]、電荷控制型[10]、復(fù)合控制型[11]。電壓控制型驅(qū)動器是指根據(jù)壓電陶瓷位移與其兩端電壓近似線性關(guān)系的原理，通過控制電壓控制壓電陶瓷輸出位移本文采用電壓控制；電荷控制型驅(qū)動器是指根據(jù)壓電陶瓷的位移與其所帶的電荷量呈近似線性關(guān)系的原理，通過充電電流掌握電荷量，從而控制壓電陶瓷輸出位移；復(fù)合控制型壓電陶瓷驅(qū)動器完美地結(jié)合了電壓控制型驅(qū)動器的穩(wěn)態(tài)性能和電流控制型驅(qū)動器的動態(tài)性能，即在電流控制型驅(qū)動器的基礎(chǔ)上增加電壓反饋環(huán)。如圖3所示，控制系統(tǒng)自動采集目標位置信息，經(jīng)過單片機處理并給出適當驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)過驅(qū)動電源線性放大，輸送到壓電陶瓷驅(qū)動器，輸出位移經(jīng)過位移傳感器，進而得到反饋電信號，利用閉環(huán)原理和專家PID控制形成反饋電路，實現(xiàn)理想偏轉(zhuǎn)角度。

單片機模塊采用C8051F410型單片機[12]，是實現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號轉(zhuǎn)變的橋梁，它可以處理已接收的信號并控制驅(qū)動信號大小，同時接收外界信息并及時處理。文獻[13]提出一個具有精度高、驅(qū)動能力強、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好的驅(qū)動電源，可以在不同信號下工作，文獻[14-15]設(shè)計一個位移傳感器，利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)獲得被測電壓動態(tài)位移，再由反射式光線位移傳感器測量逆壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的動態(tài)位移量，實現(xiàn)電壓參量的測量。

2 專家PID控制

專家控制的實質(zhì)是基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，并以智能的方式利用這些知識來設(shè)計控制器。利用專家經(jīng)驗來設(shè)計PID參數(shù)便構(gòu)成了專家PID控制。令e（k）表示離散化的當前采樣時刻的誤差值，e（k-1）、e（k-2）分別表示前一個和前兩個采樣時刻的誤差值，則有

根據(jù)誤差及其變化，可設(shè)計專家PID控制器，該控制器可分為5種情況設(shè)計：

1）當|e（k）|＞M1時，實施開環(huán)控制。

2）當 e（k）Δe（k）＞0 且|e（k）|＞M2時由控制器實施較強控制作用，其輸出可以為：

當 e（k）Δe（k）＞0 且|e（k）|＜M2時控制器實施一般的控制作用，其輸出為：

3）當 e（k）Δe（k）＜0，e（k）Δe（k）＞0 或 e（k）=0 時，控制器輸出不變。

4）當 e（k）Δe（k）＜0，e（k）Δe（k）＜0 且|e（k）|≥M2，實施較強控制作用，其輸出為：

當 e（k）Δe（k）＜0，e（k）Δe（k-1）＜0 且|e（k）|＜M2時，實施較小控制作用，其輸出為：

5）當|e（k）|＜ε 時，此時加入積分，減小穩(wěn)態(tài)誤差。

3 仿真分析

首先對壓電陶瓷驅(qū)動器建模，應(yīng)用SIMULNK對控制系統(tǒng)進行仿真研究，輸入為階躍響應(yīng)信號yd（k）=1，采樣時間為0.5 s，引入專家PID算法前后位置跟蹤結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 無專家PID控制壓電彈藥仿真

圖5 基于專家PID算法壓電彈藥仿真

如上圖所示，當輸入信號值為1時，可以看出采用專家PID算法控制后位置跟蹤結(jié)果比較理想，由此驗證采用專家PID控制算法的壓電彈藥跟蹤效果比較理想。近年，針對彈頭偏轉(zhuǎn)控制技術(shù)，國內(nèi)研究學(xué)者提出斜盤式偏轉(zhuǎn)控制機構(gòu)和電機絲杠推桿式控制機構(gòu)，前者雖然能有效使彈頭偏轉(zhuǎn)，但是由于其將大部分質(zhì)量固連于彈頭，所以不適合用于現(xiàn)代作戰(zhàn)武器要求；另外，電機絲杠推桿式機構(gòu)雖然將大部分質(zhì)量固連于彈體，但是設(shè)計復(fù)雜，所以不符合現(xiàn)代兵器智能化的要求。與斜盤式偏轉(zhuǎn)機構(gòu)和電機絲杠推桿式機構(gòu)相比，基于專家PID控制算法的壓電彈藥設(shè)計結(jié)構(gòu)更輕巧，完全工作于彈藥內(nèi)部，不影響氣動外形，并且此機構(gòu)可以在不同形式信號下工作，所以更適合應(yīng)用于導(dǎo)彈。

4 結(jié) 論

文中采用壓電陶瓷[16]作為某型彈藥的驅(qū)動器，針對壓電陶瓷的遲滯性和蠕變性，提出專家PID控制，通過對控制仿真結(jié)果分析，驗證基于專家PID控制的壓電彈藥精確性更強，符合設(shè)計要求。但是，在實際應(yīng)用中壓電陶瓷的遲滯性和蠕變性會隨溫度變化，對其補償控制還有待進一步研究。

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Design of piezoelectric ammunition based on expert PID control

LEI Yu-qing，ZHANG Bo
（BOHAI University，Jinzhou 121000，China）

Piezoelectric ceramics as a driver for the deflection of the warhead is a new technology.Nevertheless，the hysteresis and creep of piezoelectric ceramics make it impossible to reach the ideal result.Aiming at how to improve the precision of the piezoelectric ammunition，the expert PID control algorithm is proposed to compensate the hysteresis and creep of the piezoelectric ceramic actuator in this paper.Single chip is used to programmed.The key parameters is determined through simulating static performance of the system.The result shows that the piezoelectric ammunition system based on expert PID control with high precision and fast response characteristics，meets the design requirements of the warhead deflection ammunition.

piezoelectric ceramic；warhead deflection technology；expert PID control；SCM

TP29

：A

：1674－6236（2017）13-0187-03

2016-06-12稿件編號：201606088

雷雨晴（1992—），女，遼寧大連人，碩士研究生。研究方向：控制理論與控制工程。