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(中北大學機電工程學院， 山西太原 030051)

引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對火炮系統(tǒng)的威力、機動性、快速反應能力和可靠性的要求更高。而火炮反后坐裝置是火炮的關鍵部件之一，不僅影響火炮受力的大小和規(guī)律，還影響火炮的射速和精度，因此也對他提出了更高的要求，如實現(xiàn)更小的后坐阻力，更平穩(wěn)的后坐運動等。

傳統(tǒng)的火炮反后坐裝置，是通過預先確定后坐制動圖，而后不斷的優(yōu)化修正反后坐裝置外形結構來改變后坐阻力規(guī)律，但由于各種隨機因素的影響，實際的后坐阻力規(guī)律一般達不到理想要求，往往會出現(xiàn)不可控制的偏差。于存貴等[1]利用微機控制技術對反后坐裝置進行阻力控制, 并通過模擬試驗說明用微機控制反后坐裝置實現(xiàn)平臺阻力技術是可行的。李強等[2]提出最優(yōu)控制理論，采用伺服閥成功調(diào)節(jié)控制火炮使后坐阻力減小。這些實例表明現(xiàn)代武器中已經(jīng)開始應用控制技術于反后坐裝置中。王安等[3-4]設計的自整定模糊PID控制器，比傳統(tǒng)PID控制器控制更快速、適應性更強、控制精度更高，系統(tǒng)控制效果更好。劉偉等[5]用模糊PID控制算法對電液伺服系統(tǒng)進行實時控制，結果表明模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制能更快速調(diào)節(jié)，具有較好的跟隨性能和魯棒性，但這種方法還是沒有解決控制系統(tǒng)本身延時造成的誤差。于薇等[6]在調(diào)節(jié)閥定位系統(tǒng)中采用灰色預測模糊PID控制算法，實現(xiàn)了閥門位置的更高精度和智能控制，證明灰色預測模糊PID控制相比模糊PID控制效果更好。

為了更有效的控制后坐阻力規(guī)律、減小后坐阻力，本研究根據(jù)火炮反后坐裝置的工作原理,在節(jié)制桿式制退機的基礎上設計了閥控反后坐裝置結構，并采用AMESim和Simulink軟件聯(lián)合仿真[7-8]，結合灰色預測模糊PID控制算法，研究伺服閥開度大小和控制延遲時間等因素對火炮后坐阻力的影響，為火炮反后坐裝置的結構設計研究提供理論參考。

1 閥控反后坐裝置原理

1.1 閥控反后坐裝置結構原理

火炮反后坐裝置主要由制退機和復進機組成，其中制退機在整個后坐過程中起主要作用，為了研究方便，本研究只考慮后座部分。閥控反后坐裝置結構如圖1所示，火炮后坐時，制退桿在炮膛合力的作用下擠壓工作腔的液體，使液體一部分沿節(jié)制桿與制退活塞之間形成的環(huán)形流液孔進入非工作腔；一部分沿節(jié)制桿與制退桿內(nèi)腔形成的環(huán)形間隙進入復進工作腔；另一部分沿作為旁路安裝在節(jié)制桿式制退機末端的輔助調(diào)節(jié)裝置的伺服閥結構導入非工作腔。閥控反后坐裝置中，通過調(diào)節(jié)伺服閥的開度大小，輔助調(diào)節(jié)工作腔液體的流量，實現(xiàn)火炮反后坐裝置的后坐阻力峰值可調(diào)的作用，有效降低后坐阻力對設計精度的影響。

1.制退活塞 2.節(jié)制桿 3.制退桿 4.伺服閥圖1 閥控反后坐裝置結構

1.2 閥控反后坐裝置控制原理

1) 系統(tǒng)控制原理

火炮后坐時，反后坐裝置中，制退桿在炮膛合力的作用下向后運動，安裝在制退桿上的位移傳感器實時測得后坐位移信號，傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將位移信號傳遞給A/D轉(zhuǎn)換模塊的同時，還將信號存入儲存器保存。A/D轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)采集卡傳遞的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸入控制器中，經(jīng)控制器處理后輸出電壓控制信號進入伺服閥，控制伺服閥開度大小，調(diào)節(jié)火炮后坐阻力規(guī)律，其原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制原理

2) 控制算法原理

火炮在不同射角、裝藥等條件下后坐阻力差異較大，而電液系統(tǒng)也是一個非線性時變系統(tǒng)，很難用精確的數(shù)學模型來表達系統(tǒng)的內(nèi)部規(guī)律。為克服這些問題采用灰色預測模糊控制[9]算法。

灰色預測模糊控制算法是灰色預測控制算法和模糊PID控制算法的結合。整個算法分為兩大部分：一是建立灰色預測模型，其特點是可在樣本量小、信息不確定的情況下建立較好的數(shù)學預測模型；二是將預測值作為模糊控制器的輸入量，從而改善模糊控制本身事后計算的滯后性。

會計集中核算要處理好以下幾個方面的關系：第一，處理好會計監(jiān)督與財務管理之間的關系；第二，處理好原則性與靈活性之間的關系；第三，處理好會計工作與相關改革之間的配套關系；第四，處理好外在形象與工作形象之間的關系；第五，處理好上級會計核算中心與下級會計核算中心的關系；第六，處理好執(zhí)行制度與完善政策之間的關系。只有處理好這六項之間的關系，才可以確保每一項會計工作的順利開展，保證會計信息具有真實性。

本系統(tǒng)控制時本身存在3 ms左右的延時時間，仿真時需消除延時時間造成的影響，因此位移傳感器測得的位移信號傳入控制器后，先經(jīng)過灰色預測處理預測出3 ms后的位移偏差和偏差變化率,之后傳入模糊PID控制器進行模糊處理,計算得出控制電壓值,最后輸入伺服閥，控制伺服閥開口大小,調(diào)節(jié)火炮后坐阻力規(guī)律。

2 閥控后坐裝置仿真建模

在AMESim軟件中建立閥控反后坐裝置的機械液壓部分模型，在MATLAB/Simulink軟件中建立系統(tǒng)控制部分模型，并利用AMESim軟件對Simulink的接口技術，結合2個軟件進行聯(lián)合仿真。這樣既發(fā)揮了AMESim機械液壓系統(tǒng)仿真功能，又發(fā)揮了Simulink的數(shù)值處理功效， 優(yōu)勢結合， 達到其他仿真技術不可比擬的良好仿真效果。

圖4 控制部分模型

按照節(jié)制桿式制退機結構工作原理，每個部分在AMESim模型中一一對應進行等效變換[10-11]：

(1) 制退機中制退桿和制退活塞是一個整體，計算質(zhì)量時將其質(zhì)量等效為一個質(zhì)量塊；

(2) 制退機是桿后坐式制退機，可以等效為類似增速缸結構，由制退桿工作腔和節(jié)制桿工作腔組成；

(3) 制退桿工作腔“主流”液體從制退活塞上進出，將制退桿工作腔等效為2個液壓缸和1個可變流液孔；

(5) 將流液孔等效為可變節(jié)流閥。

閥控反后坐裝置AMESim部分仿真模型如圖3所示，Simulink部分如圖4所示[12]。

1.液壓屬性標志 2.炮膛合力 3.力發(fā)生器 4.位移傳感器; 5.后坐部分質(zhì)量 6.制退桿工作腔 7.節(jié)制桿工作腔; 8.節(jié)制桿直徑-位移曲線 9.飽和信號 10.活塞流液孔面積函數(shù); 11.可變節(jié)流閥 12.控制信號 13.控制器 14.伺服閥; A、P.進油口 B、T.出油口圖3 閥控反后坐裝置仿真模型

如圖3和圖4 所示，火炮后坐時，位移傳感器4測得后坐位移信號反饋給控制器13，同時輸入控制電壓信號給控制器，經(jīng)灰色預測模糊處理后，實際輸出信號控制伺服閥開口大小，使制退機工作腔的液體從A、P口流入，B、T口流出，最終進入制退機非工作腔。當速度傳感器信號為0時，系統(tǒng)結束仿真。

3 仿真結果

3.1 伺服閥開度對后坐阻力的影響

閥控反后坐裝置中，伺服閥作為系統(tǒng)的輔助調(diào)節(jié)裝置，伺服閥的不同開度大小，會導致制退機工作腔經(jīng)伺服閥流入非工作腔的液體流量各不相同，從而造成后坐阻力各不同。為研究伺服閥不同開度大小對后坐阻力的影響，分別取伺服閥開口為0%，20%，40%，60%，80%，100%并進行仿真，由于伺服閥是直動式液壓伺服閥，閥的開口大小與控制電壓呈線性比例關系，因此對應開口大小時的電壓分別為0，2，4，6，8，10 V，其結果如圖5所示。

圖5 不同伺服閥開度時的后坐阻力

伺服閥開度為0時，閥不工作，相當于整個系統(tǒng)裝置中沒有伺服閥。對比圖5中不同伺服閥開度時的曲線對比可知，有伺服閥時火炮后坐阻力峰值明顯減小。同時，不同伺服閥開度時，伺服閥開度越大，開始時后坐阻力越小，后坐阻力曲線越來越平穩(wěn)，但當后坐位移達到一定值后再次出現(xiàn)峰值，且閥開口越大后坐阻力峰值越大，由此說明伺服閥開口應取一個合適值，并非越大越好，也并非越小越好。

針對上述問題，設置如圖6所示的理想控制信號曲線進行仿真，并與無伺服閥時相比，仿真結果如圖7所示。

圖6 控制信號

圖7 有無伺服閥時的后坐阻力

由圖7可知，在采用上述理想控制信號的情況下，有伺服閥時，后坐阻力明顯減小，并且后坐阻力達到峰值后，在很長的一段位移內(nèi)，后坐阻力曲線趨于平穩(wěn)，呈馬鞍狀，且與圖5中的曲線相比更加平穩(wěn)。說明采用伺服閥結構能有效減小后坐阻力，并得到預期后坐阻力規(guī)律。

3.2 延遲時間對后坐阻力的影響

在實際控制中，火炮后坐時間很短，且變化極大，而伺服閥本身控制時有一定的延遲時間，往往無法實時精確控制，容易造成火炮毀傷。為此，考慮控制閥延遲時間對后坐阻力的影響，在采用理想控制曲線和灰色預測的基礎上，取延遲時間為3，4，6，10 ms進行仿真分析，其結果如圖8所示。

如圖8所示，3 ms對應的曲線為系統(tǒng)理想狀態(tài)時的曲線。對比分析圖8中的不同曲線可知，有延遲時間時，延遲時間越長，后坐阻力峰值越大，后坐阻力曲線越不平穩(wěn)，伺服閥控制效果越小，越難得到理想的后坐阻力規(guī)律。由3 ms和4 ms時對應的曲線可知，同時延遲時間越接近預測時間，則仿真結果越接近理想曲線，說明控制時可以通過灰色預測的方法消除控制延時造成的影響。

圖8 不同延遲時間時的后坐阻力

4 結論

應用AMESim和Simulink軟件對閥控反后坐裝置的建模，仿真結果表明：

(1) 在火炮反后坐裝置中并聯(lián)加入液壓伺服閥，通過調(diào)節(jié)伺服閥開度大小達到實時調(diào)節(jié)制退機工作腔的流量，減小火炮后坐阻力，得出最佳伺服閥開度，實現(xiàn)火炮反后坐裝置的最佳后坐阻力控制；

(2) 伺服閥控制時的延遲時間會使伺服閥難以達到理想控制效果，實際實驗時，可以通過灰色預測的方法調(diào)節(jié)預測時間，消除延遲時間造成的不利影響。