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        基于干擾觀測器的坦克炮控系統(tǒng)滑??刂?/h1>
        2018-03-26 02:17:59胡繼輝侯遠(yuǎn)龍陳宇政瞿生鵬
        電光與控制 2018年3期
        關(guān)鍵詞:控制策略

        胡繼輝, 侯遠(yuǎn)龍, 高 強(qiáng), 陳宇政, 瞿生鵬

        (南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

        0 引言

        全電式坦克炮控系統(tǒng)是一種復(fù)雜的伺服系統(tǒng),內(nèi)部存在諸多非線性環(huán)節(jié)[1],其中火炮身管和耳軸之間的摩擦力矩和負(fù)載擾動(dòng)影響較大。在高機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)時(shí),摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩具有時(shí)變性,影響坦克炮控系統(tǒng)的穩(wěn)定精度和低速性能[2-4]。主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:低速情況下爬行現(xiàn)象顯著;靜摩擦具有多值性和離散性,速度過零時(shí)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定;系統(tǒng)的響應(yīng)具有較大的靜態(tài)誤差和極限振蕩現(xiàn)象[5]?,F(xiàn)今坦克炮控系統(tǒng)大多被簡化為線性定常系統(tǒng)進(jìn)行建模[6],采用經(jīng)典控制理論進(jìn)行控制,不能補(bǔ)償摩擦非線性,控制效果達(dá)不到預(yù)期。文獻(xiàn)[7]在研究摩擦模型的基礎(chǔ)上,用基本滑模控制方法補(bǔ)償摩擦非線性,雖然取得了較好的控制效果,但是由于簡化的摩擦模型不具有實(shí)時(shí)性,因此控制策略有待完善;文獻(xiàn)[8]采用自適應(yīng)魯棒控制策略對(duì)摩擦非線性進(jìn)行補(bǔ)償,既沒有建立摩擦模型,也沒有對(duì)摩擦轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測;文獻(xiàn)[9]將摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩等外界擾動(dòng)等效為有界總擾動(dòng),進(jìn)行非線性補(bǔ)償,缺乏對(duì)摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)木_性。針對(duì)當(dāng)今研究存在的不足,對(duì)坦克炮控伺服系統(tǒng)進(jìn)行建模,設(shè)計(jì)基于干擾觀測器的滑??刂破?。仿真表明,本文設(shè)計(jì)的控制策略既具有滑??刂茖?duì)系統(tǒng)未建模動(dòng)態(tài)強(qiáng)魯棒性的優(yōu)點(diǎn),又削弱了抖振現(xiàn)象,且很好地補(bǔ)償坦克高低向炮控系統(tǒng)的摩擦非線性和擾動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

        1 坦克炮控系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型

        1.1 坦克炮控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        驅(qū)動(dòng)坦克身管瞄準(zhǔn)目標(biāo)以及瞄準(zhǔn)目標(biāo)后維持身管的穩(wěn)定是坦克炮控系統(tǒng)的主要功用[10],由高低向和水平向伺服系統(tǒng)組成。按傳動(dòng)方式可分為電液式和全電式,電液式是傳統(tǒng)的炮控系統(tǒng),全電式是當(dāng)今主流的發(fā)展方向[11]。全電式采用執(zhí)行電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文對(duì)全電式坦克炮高低向伺服系統(tǒng)進(jìn)行分析研究,被控裝置主要包括交流電機(jī)、減速裝置和身管,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

        圖1 全電式坦克炮高低向伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of vertical servo system of all-electrical tank gun

        1.2 坦克炮控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

        傳統(tǒng)的坦克炮控系統(tǒng)是由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成的三閉環(huán)系統(tǒng)[12],位置環(huán)響應(yīng)速度慢導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度差,這是三閉環(huán)控制系統(tǒng)的固有缺點(diǎn)。本文研究的坦克炮控系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng),這也是當(dāng)今坦克炮控系統(tǒng)的主流控制系統(tǒng),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

        圖2 坦克炮控交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of tank gun AC servo system

        圖2中:ωref為參考速度輸入(角速度);ω為坦克身管的角速度;GSR(s)為速度控制器;GCR(s)為電流控制器;uq為電流環(huán)輸出電壓;Ka為放大器增益(含功率放大器);Ea為電機(jī)電樞反電動(dòng)勢;Ke為執(zhí)行電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù);L為電樞回路電感;Ki為q軸電流反饋系數(shù);R為電樞回路電阻;Kω為身管角速度反饋系數(shù);iq為q軸電流;Kt為執(zhí)行電機(jī)力矩系數(shù);Te為執(zhí)行電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;Tf為摩擦轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載擾動(dòng)力矩;ωm為電機(jī)角速度;B為粘性摩擦系數(shù);J為電機(jī)轉(zhuǎn)子上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;i為減速比。

        根據(jù)圖2的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,可以得到坦克炮控系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

        (1)

        (2)

        式中:TLS為摩擦轉(zhuǎn)矩和變化的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。對(duì)式(1)進(jìn)行拉普拉斯變換得

        (3)

        將式(3)代入式(2)得

        (4)

        (5)

        2 滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)

        滑模變結(jié)構(gòu)控制對(duì)系統(tǒng)外界擾動(dòng)和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化具有好的魯棒性[13],因此在非線性系統(tǒng)控制方面具有很大的優(yōu)越性。為了消除靜差以及削弱抖振,設(shè)計(jì)滑模函數(shù)時(shí)引入了積分項(xiàng)?;:瘮?shù)設(shè)計(jì)為

        (6)

        式中:c1>0;c2>0。則

        (7)

        滑模運(yùn)動(dòng)包括沿著滑模面運(yùn)動(dòng)和趨近滑模面運(yùn)動(dòng)。趨近運(yùn)動(dòng)具體軌跡具有選擇性,合理的趨近律不僅可以使系統(tǒng)以較快的響應(yīng)速度運(yùn)動(dòng)到滑模面,而且到達(dá)滑模面時(shí)速度較小、抖振小。本文采用的指數(shù)趨近律具有以上優(yōu)點(diǎn),其表達(dá)式為

        (8)

        (9)

        由式(7)和式(8)可得

        (10)

        將狀態(tài)方程代入式(10),進(jìn)一步化簡為

        (11)

        由式(11)可得控制量為

        uq=b1(εsgns+ks+b2x1+b3x2+d(t))

        (12)

        3 干擾觀測器設(shè)計(jì)

        上述設(shè)計(jì)的控制量uq中含有摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLS,摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩是未知量,具有時(shí)變性,影響系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。設(shè)計(jì)干擾觀測器觀測TLS的變化,并反饋給控制量uq進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。設(shè)計(jì)的干擾觀測器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

        圖3 干擾觀測器結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of disturbance observer

        根據(jù)坦克炮控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖,以及轉(zhuǎn)矩平衡方程可得

        J·dω/dt=Te-TLS。

        (13)

        設(shè)在較短時(shí)間內(nèi)TLS的變化可以忽略,即

        dTLS/dt=0 。

        (14)

        選取TLS和ω為觀測變量,根據(jù)式(13)和式(14)可得

        (15)

        該干擾觀測器的能觀測性矩陣為

        (16)

        顯然rank(CA)=2,和狀態(tài)變量的個(gè)數(shù)相等,所以該系統(tǒng)完全可觀。則系統(tǒng)的干擾觀測器可以構(gòu)造為

        (17)

        (18)

        這里采用極點(diǎn)配置法來設(shè)計(jì)矩陣A-LFBC的特征值,使其具有負(fù)實(shí)部,從而能夠保證觀測誤差最終趨近零。設(shè)配置的理想極點(diǎn)為a1,a2,此時(shí)特征方程可寫為

        s2-(a1+a2)s+a1a2=0 。

        (19)

        由式(18)和式(19)可得干擾觀測器的特征方程為

        (20)

        由式(19)和式(20)可得

        (21)

        最終干擾觀測器可表示為

        (22)

        4 仿真分析

        本文提出的控制方法的有效性通過數(shù)值仿真來驗(yàn)證。仿真中用到的主要參數(shù)為:R=0.4 Ω,J=5239 kg·m2,i=1039,Kt=0.195 N·m/A,Ke=0.197 V/(rad·s-1),L=2.907×10-3H??刂破髦惺褂玫膮?shù)如下:c1=20,c2=50,ε=0.03,k=0.005。干擾觀測器的極點(diǎn)配置為:a1=-20+20i,a2=-20-20i。

        為突顯所設(shè)計(jì)控制策略的優(yōu)越性,仿真比較了未對(duì)摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)暮唵位?刂坪突诟蓴_觀測器的滑??刂圃诳刂菩Ч系牟顒e。圖4是兩種控制方法的系統(tǒng)速度階躍響應(yīng);圖5為系統(tǒng)靜止時(shí)在4 s加入一個(gè)480 N·m的階躍擾動(dòng)的速度響應(yīng)曲線;圖6為簡單滑??刂破鞯乃俣日腋櫱€;圖7為基于干擾觀測器滑模控制器的速度正弦跟蹤曲線。

        從圖4可知,未對(duì)摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)幕净?刂圃陧憫?yīng)的初始階段出現(xiàn)“停滯”現(xiàn)象,停滯時(shí)間大約為0.12 s。基于干擾觀測器的滑??刂祈憫?yīng)初始階段未出現(xiàn)此現(xiàn)象,其響應(yīng)時(shí)間為0.45 s,基本滑??刂频捻憫?yīng)時(shí)間為0.92 s,設(shè)計(jì)的控制策略的階躍響應(yīng)遠(yuǎn)快于基本滑??刂?。從局部放大圖可以看出,基本滑??刂拼嬖诜€(wěn)態(tài)誤差且存在抖振現(xiàn)象,而基于干擾觀測器的滑??刂葡魅趿硕墩瘢€(wěn)態(tài)誤差為零。從圖5可知,在4 s加入一個(gè)480 N·m的階躍擾動(dòng)時(shí),基于干擾觀測器的滑模控制產(chǎn)生的速度偏差較小,且能夠較快地恢復(fù)到目標(biāo)速度,因此設(shè)計(jì)的控制策略具有更好的抗干擾能力。從圖6基本滑??刂普腋櫱€可知,由于未對(duì)摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償,當(dāng)速度過零時(shí)出現(xiàn)約為0.2 s的“爬行”現(xiàn)象,且跟蹤性能較差。從圖7可知,“爬行”現(xiàn)象被消除,且跟蹤性能優(yōu)越,因此提出的控制策略很好地補(bǔ)償了摩擦非線性和負(fù)載擾動(dòng)。

        圖4 控制系統(tǒng)速度階躍響應(yīng)曲線Fig.4 The speed step response curve of control system

        圖5 加入負(fù)載擾動(dòng)的速度階躍響應(yīng)曲線Fig.5 The speed step response curve with load disturbance

        圖6 滑??刂破鞯乃俣日腋櫱€Fig.6 The sinusoidal velocity tracking curve of sliding mode controller

        圖7 基于干擾觀測器的滑模控制器速度跟蹤曲線Fig.7 The velocity tracking curve of sliding-mode controller based on disturbance observer

        5 結(jié)論

        針對(duì)坦克炮高低向系統(tǒng)存在的摩擦非線性和負(fù)載擾動(dòng)的特征,提出基于干擾觀測器的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略。通過仿真結(jié)果可以看出,設(shè)計(jì)的控制策略很好地補(bǔ)償了坦克高低向炮控系統(tǒng)固有的摩擦非線性和時(shí)變負(fù)載轉(zhuǎn)矩,基本消除了坦克身管在低速狀態(tài)下的“爬行”現(xiàn)象。此外,干擾觀測器對(duì)模型中未知量的觀測,削弱了由于模型不確定性而引發(fā)的系統(tǒng)抖振現(xiàn)象。本文提出的控制策略具有實(shí)際應(yīng)用前景,為坦克炮控系統(tǒng)補(bǔ)償摩擦非線性和負(fù)載擾動(dòng)提供了一個(gè)可行的方案。

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