基于趨近律方法的艦載遙控武器站滑?？刂蒲芯?/h1>
2018-09-02 11:08:34張曉鐸趙遠征
艦船科學技術(shù) 2018年8期
張曉鐸，趙遠征
(鄭州機電工程研究所，河南鄭州，450015)
0 引 言
隨著我國海外權(quán)益的日益增長和周邊形勢的復雜化，我國海上武裝力量面對日益多元化的海上威脅。海軍在面對恐怖分子小型快艇的迫近襲擊時，中、大型水面艦艇上安裝的導彈、艦炮武器費效比過高，不能即時經(jīng)濟的對類似小型水面目標進行精確打擊。面對這種特殊需求，就需要一種自動化程度高、可艙室內(nèi)遙控操作、能抵御非傳統(tǒng)威脅、配置靈活的有效武器[1]。隨著我國海洋戰(zhàn)略的調(diào)整，對釣魚島海域、南海海域的巡航和執(zhí)法日益頻繁，從增加威懾、打擊力度層面來說，設計一型通用化、模塊化的武器平臺能夠快速提高執(zhí)法船的執(zhí)法能力。在我國西南邊防地區(qū)，自湄公河巡航以來，由于巡航區(qū)域地理條件復雜，安全形勢不容樂觀，對遙控武器平臺的需求也越來越迫切。基于上述背景，既可以作為獨立的作戰(zhàn)單元，也可以為其他精確制導武器提供實時作戰(zhàn)信息支持，可廣泛應用于海防、邊防、反恐以及局部沖突，具備態(tài)勢感知和快速精確打擊的艦載遙控武器站應運而生。
艦載遙控武器站最早應用于公安邊防湄公河聯(lián)合巡邏，從央視披露情況可以看出，該型武器站能夠經(jīng)受頻繁沖擊振動和長時間連續(xù)工作。艦載遙控武器站當前使用最多的是海警執(zhí)法船，2016年6月19日，央視報道海警21115艦訪問韓國，艦載遙控武器站工作畫面曝光，圖1所示為某型艦載遙控武器站。
圖1 某型艦載遙控武器站Fig. 1 A certain type of the naval remote controlled weapons station
1 艦載遙控武器站控制系統(tǒng)優(yōu)化方向
隨著艦載遙控武器站的深入應用，特別是隨著無人化、智能化的需求指引，遙控武器站當前急需解決一個關(guān)鍵問題：如何利用有限成本盡可能實現(xiàn)最優(yōu)的控制性能，從而滿足未來大批量的應用需求。從當前技術(shù)層面分析，控制系統(tǒng)可以從以下兩點研究：
1）無位置傳感器下轉(zhuǎn)子位置估計
艦載遙控武器站的位置傳感器檢測，目前成熟的方案是在電機軸端安裝機械位置傳感器，如增量或絕對式的數(shù)字編碼器，或者旋轉(zhuǎn)變壓器等[2]。這樣武器站的控制精度、動態(tài)響應特性取決于傳感器的性能，選擇的傳感器不同，其控制性能差別很大；其電機絕大多數(shù)采用安裝傳感器表貼式永磁同步電機（Surface-Mounted PMSM，SPMSM）驅(qū)動方式，永磁電機體積較大、電機結(jié)構(gòu)相對復雜，不便于實現(xiàn)電機和負載的手動解脫，以實現(xiàn)手動和遙控模式的切換；當傳感器出現(xiàn)故障時將嚴重影響控制系統(tǒng)性能，極易導致驅(qū)動器報警從而停止工作。此外，1套性能優(yōu)異的傳感器裝置十分昂貴，而且方位和俯仰2軸均需要編碼器，使得系統(tǒng)成本大大增加，這影響了艦載遙控武器站低成本大批量列裝的定位。內(nèi)置式永磁同步電機無位置傳感器控制方案有望實現(xiàn)高性價比、高可靠驅(qū)動系統(tǒng)[3]。
2）控制算法優(yōu)化，提高射擊精度
艦載遙控武器站控制系統(tǒng)是一個多變量、非線性、強耦合的系統(tǒng)，對于參數(shù)攝動和外部負載擾動非常敏感，傳統(tǒng)的PI控制方法因其算法簡單、調(diào)速方便等優(yōu)點，在其控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。但是PI控制方法需要系統(tǒng)精確的數(shù)學模型，對于艦載遙控武器站這樣一個具有強后坐力、變摩擦力和變轉(zhuǎn)動慣量的非線性系統(tǒng)，在跟蹤射擊狀態(tài)下隨機擾動難以建模表征，采用傳統(tǒng)的控制方法很難達到系統(tǒng)的要求，進而難以獲得理想的高精度控制性能[4]。因此，有必要研究基于PMSM控制系統(tǒng)的非線性控制方法。
從工程層面來講，本文主要進行控制算法的優(yōu)化，增強控制算法的魯棒性，從而提高武器站跟蹤射擊時抗干擾能力，提升武器站射擊精度。
關(guān)于控制系統(tǒng)優(yōu)化的研究很多，如模糊控制在控制系統(tǒng)的應用研究，但是實際應用中由于模糊化、專家規(guī)則庫、去模糊化的復雜應用，使得系統(tǒng)的控制精度受到限制；文獻[5]提出了神經(jīng)網(wǎng)絡控制理論，但是通過自適應學習的系統(tǒng)參數(shù)整定需要比較長的數(shù)據(jù)處理時間，需要使用速度很快的微處理器來提高系統(tǒng)實時性，實際上增加了系統(tǒng)設計的成本。20世紀50年代出現(xiàn)的滑模變結(jié)構(gòu)控制理論是一種非線性控制理論，滑模變結(jié)構(gòu)控制以其對系統(tǒng)數(shù)學模型精確度要求不高，對系統(tǒng)參數(shù)攝動和外部擾動具有完全魯棒性等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的漸進穩(wěn)定性[6]。因此，有必要開展艦載遙控武器站控制系統(tǒng)的滑?？刂蒲芯?。
2 控制器設計
2.1 矢量控制
艦載遙控武器站伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖如圖2所示。
圖2 武器站伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖Fig. 2 The schematic diagram of closed loop control of the servo system of the weapon station
根據(jù)以上公式，可以得到如下形式的狀態(tài)方程：
圖3 基于矢量控制的位置控制原理圖Fig. 3 The position control schematic diagram based on the vector control
2.2 滑模控制器控制設計
由式（3）可得：
武器站跟蹤誤差及其導數(shù)為
設計滑模函數(shù)為
對滑模面S求導，根據(jù)式（6）和式（8）可得
為了消除系統(tǒng)抖振，采用變指數(shù)趨近律，得到
結(jié)合式（5）、式（9）和式（10）可得相應的控制律函數(shù)為
采用變指數(shù)趨近律，在遠離切換面時，在常規(guī)趨近律的基礎上，加入速度誤差的絕對值，可以使系統(tǒng)加速趨近滑模面，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應；當運動點接近切換面時，隨著速度逐漸降低，速度誤差的絕對值漸趨于0，從而保證系統(tǒng)平滑的到達滑模面[8]。
2.3 穩(wěn)定性證明
針對上述滑?？刂破鬟x用Lyapunov函數(shù)來證明其滑模平面穩(wěn)定且存在滑動模態(tài)。
定義Lyapunov函數(shù)為
對其求導，則有
3 仿真研究
艦載遙控武器站控制系統(tǒng)永磁同步電機參數(shù)（標幺值）為：電機功率為極對數(shù)為定子電阻為轉(zhuǎn)動慣量為直軸電感交軸電感磁鏈摩擦系數(shù)減速比在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建基于矢量控制的武器站伺服系統(tǒng)三環(huán)仿真模型，如圖4所示。
模型中位置指令輸入trackingline.mat模擬上層隨機指令，以驗證遙控武器站伺服系統(tǒng)能夠即時響應跟蹤指令。速度環(huán)SMCC控制器是本文搭建的變指數(shù)趨近律滑?？刂破?，PI控制器為常規(guī)PI控制器，SMCR控制器是根據(jù)指數(shù)趨近律搭建的控制器[9]。
圖4 艦載遙控武器站位置控制仿真模型Fig. 4 The position control simulation model of the naval remote controlled weapons station
本文對常規(guī)PI速度控制器和變指數(shù)滑模速度控制器SMCC進行了仿真對比，仿真條件為轉(zhuǎn)速參考值設定為500 r/min，在t=0.5 s突加50 N·m負載。仿真結(jié)果如圖5～圖8所示。
圖5 SMCC控制器轉(zhuǎn)速響應曲線對比Fig. 5 The comparison of speed response curve of the SMCC controller
圖6 SMCC控制器轉(zhuǎn)矩響應曲線對比Fig. 6 The comparison of torque response curve of the SMCC controller
圖7 SMCC控制器下三相電流響應曲線Fig. 7 Three phase current response curves under the SMCC controller
圖8 常規(guī)PI控制器下三相電流響應曲線Fig. 8 Three phase current response curves under the conventional PI controller
圖5轉(zhuǎn)速響應曲線中武器站控制系統(tǒng)在速度環(huán)采用常規(guī)PI控制器時，啟動階段轉(zhuǎn)速超調(diào)較大，轉(zhuǎn)速最高到602 r/min，穩(wěn)定時間為0.2 s。突加負載后，轉(zhuǎn)速下降64 r/min，在0.66 s系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。采用SMCC滑?？刂破鲿r，啟動階段控制系統(tǒng)基本無超調(diào)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時間僅為0.15 s。0.5 s突加負載后，系統(tǒng)超調(diào)明顯減少，轉(zhuǎn)速僅下降12 r/min，穩(wěn)定時間由0.16 s縮短為0.09 s。
圖6轉(zhuǎn)矩響應曲線可以明顯看出，采用SMCC控制器時，系統(tǒng)突加負載時轉(zhuǎn)矩基本無超調(diào)，且響應速度明顯比采用常規(guī)PI控制器時快。
圖7和圖8中三相電流曲線比較可以看出，采用常規(guī)PI控制器時電流脈動較大，采用SMCC控制器時電流波形平滑，基本符合正弦曲線。
通過分析圖5～圖8，說明所設計的變指數(shù)趨近律滑?？刂破黜憫俣瓤?，抗干擾能力強，魯棒性好。
上述模型基于采樣周期和數(shù)據(jù)量限制，仿真時間有限，因此搭建基于遙控武器站數(shù)學模型的仿真系統(tǒng)，對SMCC速度控制器和常規(guī)PI速度控制器下的位置跟蹤情況進行仿真，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。
圖9 SMCC控制器下模擬跟蹤曲線Fig. 9 Analog tracking curve under the SMCC controller
圖10 SMCC和普通PI控制跟蹤誤差比較曲線Fig. 10 The comparison curves of tracking error between the SMCC and the conventional PI control
從圖9可以看出，采用SMCC控制器和常規(guī)PI控制器系統(tǒng)均能跟隨模擬指令運動，但采用常規(guī)PI控制器相比SMCC控制器跟隨時間相對滯后。從圖10中可以看出，在伺服系統(tǒng)啟動和換向階段，采用普通PI控制的跟蹤誤差要遠遠大于SMCC控制下誤差，前者的均方根植最大超過1.2°，而后者最大不超過0.5°。
通過以上仿真對比，可以看出，在矢量控制條件下，采用SMCC速度控制器的武器站控制系統(tǒng)具有更好的跟隨性能和更強的抗擾動能力。
4 結(jié) 語
針對艦載遙控武器站跟蹤射擊精度需求逐步提升的現(xiàn)狀，在滑模變結(jié)構(gòu)控制的基礎上，兼顧減小滑模抖振，實現(xiàn)武器站控制系統(tǒng)的高精度控制，本文采用變指數(shù)趨近律，設計了變指數(shù)滑模控制器，與常規(guī)PI控制器進行對比，仿真結(jié)果表明采用所設計的控制器遙控武器站能夠很好的跟隨目標指令，且系統(tǒng)抗干擾能力強，魯棒性好。本文設計的控制算法對艦載遙控武器站算法優(yōu)化具有工程指導意義。
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圖1 某型艦載遙控武器站Fig. 1 A certain type of the naval remote controlled weapons station
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艦載遙控武器站的位置傳感器檢測，目前成熟的方案是在電機軸端安裝機械位置傳感器，如增量或絕對式的數(shù)字編碼器，或者旋轉(zhuǎn)變壓器等[2]。這樣武器站的控制精度、動態(tài)響應特性取決于傳感器的性能，選擇的傳感器不同，其控制性能差別很大；其電機絕大多數(shù)采用安裝傳感器表貼式永磁同步電機（Surface-Mounted PMSM，SPMSM）驅(qū)動方式，永磁電機體積較大、電機結(jié)構(gòu)相對復雜，不便于實現(xiàn)電機和負載的手動解脫，以實現(xiàn)手動和遙控模式的切換；當傳感器出現(xiàn)故障時將嚴重影響控制系統(tǒng)性能，極易導致驅(qū)動器報警從而停止工作。此外，1套性能優(yōu)異的傳感器裝置十分昂貴，而且方位和俯仰2軸均需要編碼器，使得系統(tǒng)成本大大增加，這影響了艦載遙控武器站低成本大批量列裝的定位。內(nèi)置式永磁同步電機無位置傳感器控制方案有望實現(xiàn)高性價比、高可靠驅(qū)動系統(tǒng)[3]。
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從工程層面來講，本文主要進行控制算法的優(yōu)化，增強控制算法的魯棒性，從而提高武器站跟蹤射擊時抗干擾能力，提升武器站射擊精度。
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2 控制器設計
2.1 矢量控制
艦載遙控武器站伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖如圖2所示。
圖2 武器站伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖Fig. 2 The schematic diagram of closed loop control of the servo system of the weapon station
根據(jù)以上公式，可以得到如下形式的狀態(tài)方程：
圖3 基于矢量控制的位置控制原理圖Fig. 3 The position control schematic diagram based on the vector control
2.2 滑模控制器控制設計
由式（3）可得：
武器站跟蹤誤差及其導數(shù)為
設計滑模函數(shù)為
對滑模面S求導，根據(jù)式（6）和式（8）可得
為了消除系統(tǒng)抖振，采用變指數(shù)趨近律，得到
結(jié)合式（5）、式（9）和式（10）可得相應的控制律函數(shù)為
采用變指數(shù)趨近律，在遠離切換面時，在常規(guī)趨近律的基礎上，加入速度誤差的絕對值，可以使系統(tǒng)加速趨近滑模面，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應；當運動點接近切換面時，隨著速度逐漸降低，速度誤差的絕對值漸趨于0，從而保證系統(tǒng)平滑的到達滑模面[8]。
2.3 穩(wěn)定性證明
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對其求導，則有
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模型中位置指令輸入trackingline.mat模擬上層隨機指令，以驗證遙控武器站伺服系統(tǒng)能夠即時響應跟蹤指令。速度環(huán)SMCC控制器是本文搭建的變指數(shù)趨近律滑?？刂破?，PI控制器為常規(guī)PI控制器，SMCR控制器是根據(jù)指數(shù)趨近律搭建的控制器[9]。
圖4 艦載遙控武器站位置控制仿真模型Fig. 4 The position control simulation model of the naval remote controlled weapons station
本文對常規(guī)PI速度控制器和變指數(shù)滑模速度控制器SMCC進行了仿真對比，仿真條件為轉(zhuǎn)速參考值設定為500 r/min，在t=0.5 s突加50 N·m負載。仿真結(jié)果如圖5～圖8所示。
圖5 SMCC控制器轉(zhuǎn)速響應曲線對比Fig. 5 The comparison of speed response curve of the SMCC controller
圖6 SMCC控制器轉(zhuǎn)矩響應曲線對比Fig. 6 The comparison of torque response curve of the SMCC controller
圖7 SMCC控制器下三相電流響應曲線Fig. 7 Three phase current response curves under the SMCC controller
圖8 常規(guī)PI控制器下三相電流響應曲線Fig. 8 Three phase current response curves under the conventional PI controller
圖5轉(zhuǎn)速響應曲線中武器站控制系統(tǒng)在速度環(huán)采用常規(guī)PI控制器時，啟動階段轉(zhuǎn)速超調(diào)較大，轉(zhuǎn)速最高到602 r/min，穩(wěn)定時間為0.2 s。突加負載后，轉(zhuǎn)速下降64 r/min，在0.66 s系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。采用SMCC滑?？刂破鲿r，啟動階段控制系統(tǒng)基本無超調(diào)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時間僅為0.15 s。0.5 s突加負載后，系統(tǒng)超調(diào)明顯減少，轉(zhuǎn)速僅下降12 r/min，穩(wěn)定時間由0.16 s縮短為0.09 s。
圖6轉(zhuǎn)矩響應曲線可以明顯看出，采用SMCC控制器時，系統(tǒng)突加負載時轉(zhuǎn)矩基本無超調(diào)，且響應速度明顯比采用常規(guī)PI控制器時快。
圖7和圖8中三相電流曲線比較可以看出，采用常規(guī)PI控制器時電流脈動較大，采用SMCC控制器時電流波形平滑，基本符合正弦曲線。
通過分析圖5～圖8，說明所設計的變指數(shù)趨近律滑?？刂破黜憫俣瓤?，抗干擾能力強，魯棒性好。
上述模型基于采樣周期和數(shù)據(jù)量限制，仿真時間有限，因此搭建基于遙控武器站數(shù)學模型的仿真系統(tǒng)，對SMCC速度控制器和常規(guī)PI速度控制器下的位置跟蹤情況進行仿真，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。
圖9 SMCC控制器下模擬跟蹤曲線Fig. 9 Analog tracking curve under the SMCC controller
圖10 SMCC和普通PI控制跟蹤誤差比較曲線Fig. 10 The comparison curves of tracking error between the SMCC and the conventional PI control
從圖9可以看出，采用SMCC控制器和常規(guī)PI控制器系統(tǒng)均能跟隨模擬指令運動，但采用常規(guī)PI控制器相比SMCC控制器跟隨時間相對滯后。從圖10中可以看出，在伺服系統(tǒng)啟動和換向階段，采用普通PI控制的跟蹤誤差要遠遠大于SMCC控制下誤差，前者的均方根植最大超過1.2°，而后者最大不超過0.5°。
通過以上仿真對比，可以看出，在矢量控制條件下，采用SMCC速度控制器的武器站控制系統(tǒng)具有更好的跟隨性能和更強的抗擾動能力。
4 結(jié) 語
針對艦載遙控武器站跟蹤射擊精度需求逐步提升的現(xiàn)狀，在滑模變結(jié)構(gòu)控制的基礎上，兼顧減小滑模抖振，實現(xiàn)武器站控制系統(tǒng)的高精度控制，本文采用變指數(shù)趨近律，設計了變指數(shù)滑模控制器，與常規(guī)PI控制器進行對比，仿真結(jié)果表明采用所設計的控制器遙控武器站能夠很好的跟隨目標指令，且系統(tǒng)抗干擾能力強，魯棒性好。本文設計的控制算法對艦載遙控武器站算法優(yōu)化具有工程指導意義。
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