楊 帆
(中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所 宜昌 443003)
為滿足誘餌火箭彈作戰(zhàn)需求,縮短調(diào)節(jié)時間,提高滾轉(zhuǎn)通道穩(wěn)定性和抗擾動能力,提出滾轉(zhuǎn)通道與俯仰偏航通道解耦的控制方式。借鑒衛(wèi)星姿態(tài)控制方式,采用動量交換裝置實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)角穩(wěn)定控制。動量輪具有可靠性高、控制精度高和功耗低等優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)控制中[1~2]。
滾轉(zhuǎn)通道執(zhí)行機構(gòu)為直流力矩電機,具有非線性性、參數(shù)不確定性和易受外部擾動因素的影響等特點[3]?;?刂朴捎诨瑒幽B(tài)可以進行設(shè)計,且與控制對象參數(shù)和擾動無關(guān),無須在線辨識等優(yōu)點[4],所以在解決這些問題方面表現(xiàn)優(yōu)秀。
本文從現(xiàn)有實際需求出發(fā),建立了滾轉(zhuǎn)通道動力學(xué)模型和動量輪動力學(xué)模型,設(shè)計了滾轉(zhuǎn)通道控制系統(tǒng),其中,外回路采用PID控制算法,動量輪內(nèi)回路采用滑??刂扑惴ㄌ岣呦到y(tǒng)抗擾動能力,并開展了仿真研究,為誘餌火箭彈的設(shè)計提供了一種可能性。
動量交換控制的基本原理就是動量矩定理,系統(tǒng)的總動量矩矢量對時間的導(dǎo)數(shù),等于作用在系統(tǒng)上外力矩矢量之和。如果利用某些控制執(zhí)行機構(gòu)將系統(tǒng)的一部分的動量矩發(fā)生改變,則系統(tǒng)其余部分的動量矩將發(fā)生大小相等方向相反的改變。
在誘餌彈三通道控制模型中,滾轉(zhuǎn)通道與俯仰偏航通道設(shè)計解耦,在進行滾轉(zhuǎn)運動研究中,我們假定ωx=ωz=0;?=ψ=0。誘餌火箭彈滾轉(zhuǎn)通道動力學(xué)模型為
根據(jù)動量矩定理可以得到滾轉(zhuǎn)力矩表達式為
其中,H為系統(tǒng)總動量矩,Jy為誘餌火箭彈(含轉(zhuǎn)子艙)繞 y軸的轉(zhuǎn)動慣量,Jfy為轉(zhuǎn)子艙繞 y軸的轉(zhuǎn)動慣量,ωy為誘餌火箭彈繞y軸的轉(zhuǎn)動角速度,Ωy為轉(zhuǎn)子艙相對火箭彈繞 y軸的轉(zhuǎn)動角速度,γ為火箭彈滾轉(zhuǎn)角。
滾轉(zhuǎn)角的高精度控制實質(zhì)上就是動量輪的高精度轉(zhuǎn)速控制。動量輪工作原理如下:當動量輪內(nèi)的電機繞組中按規(guī)律通入電流時,電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩(最終達到一定的轉(zhuǎn)速)從而形成一定的動量,該轉(zhuǎn)矩或動量作用到動量輪的安裝載體上,就會改變載體滾轉(zhuǎn)角或抵抗擾動轉(zhuǎn)矩[5~7]。假設(shè)[8]:
1)電機的氣隙磁感應(yīng)強度沿氣隙按正弦分布。
2)繞組通電時,該電流所產(chǎn)生的磁通對氣隙磁通的影響忽略不計。
3)控制電路在開關(guān)狀態(tài)下工作,功率器件壓降為恒值。
4)各項繞組對稱,其相應(yīng)的電路單元完全一致,相應(yīng)的電氣時間常數(shù)忽略不計。
根據(jù)永磁電機原理[9~10]有:
動量輪動力學(xué)模型如圖1所示。
圖1 動量輪動力學(xué)模型
由控制器給出控制電壓,使動量輪轉(zhuǎn)速變化,改變轉(zhuǎn)子艙的動量矩,并輸出反作用力矩作用于誘餌火箭彈。動量輪理想傳遞函數(shù)為
在實際工作中,動量輪并不理想。一方面,電機內(nèi)部存在摩擦阻尼。且摩擦力矩為非線性,會隨著工作環(huán)境發(fā)生變化;另一方面,存在擾動力矩的作用。本文在模型處理時,將摩擦力矩和擾動力矩作為外部擾動融合到電壓擾動中。由此得到電機轉(zhuǎn)速與輸入電壓的關(guān)系為
誘餌火箭彈滾轉(zhuǎn)角回路采用PID控制算法,動量輪電機采用滑??刂扑惴ā?/p>
PID控制算法的數(shù)學(xué)模型[11]為
其中,ωd為動量輪電機的期望轉(zhuǎn)速;e(t)=γ(t)-γd(t)為滾轉(zhuǎn)角誤差;Kp、Ki和Kd是控制器的比例、積分和微分增益。
控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
針對式(5)的控制問題,采用滑??刂疲?2-13]思想分別設(shè)計等效控制器和切換控制器。
1)滑模面設(shè)計
滑模面 s=ce+e˙,其中 c≥0,e=ω-ωd為電機轉(zhuǎn)速誤差。
2)等效控制器(不考慮擾動)
取s˙=0可知不存在擾動時的等效控制律u1為
3)切換控制器
切換控制器用來克服外部擾動,設(shè)克服擾動的切換控制律為u2,那么動量輪的實際控制律u=u1+u2。
其中,g為外部擾動,外部擾動大小未知,但有界。設(shè)‖‖g≤G。
在動量輪高精度控制中,輸入電壓幅值有限,設(shè)幅值上限為umax。
引入飽和函數(shù)sat(u),則實際輸入電壓為
數(shù)值仿真建立在Matlab的Simulink環(huán)境中,誘餌火箭彈及動量輪電機參數(shù)如表1所示。
表1 誘餌火箭彈及動量輪參數(shù)
設(shè)定期望滾轉(zhuǎn)角 γd=0°,滾轉(zhuǎn)角初始值γ=20°,取 kp=20.16,ki=0.01,kd=0.58,c=2,k=-2.25,采用本文設(shè)計的控制器和控制算法。仿真曲線圖如圖3所示。圖3為無擾動時的控制效果圖。
圖3 無擾動時的控制效果圖
誘餌火箭彈在工作過程中,會受到各種擾動因素的影響,既有外部擾動,也有內(nèi)部擾動。本文將外部擾動等效于實際滾轉(zhuǎn)角的一部分反饋回仿真模型中,將內(nèi)部擾動等效于電機輸入電壓誤差?u,也就是滑模控制器需要解決的外部擾動量作用于電機回路。
設(shè)定期望滾轉(zhuǎn)角 γd=10°,滾轉(zhuǎn)角初始值γ=0°,在30s時分別加入等效幅值為1°,周期為30s脈沖占比為10%的外部脈沖擾動和等效幅值為5°,周期為30s脈沖占比為10%的內(nèi)部脈沖擾動,仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。圖4為外部擾動時的控制效果圖,圖5為內(nèi)部擾動時的控制效果圖。
圖4 外部擾動時的控制效果圖
圖5 內(nèi)部擾動時的控制效果圖
設(shè)定期望滾轉(zhuǎn)角 γd=10°,滾轉(zhuǎn)角初始值γ=0°,同時加入內(nèi)部和外部兩種擾動,其中,在30s時加入等效幅值為5°,周期為30s脈沖占比為10%的內(nèi)部脈沖擾動,在37s時加入等效幅值為1°,周期為30s脈沖占比為10%的外部脈沖擾動,仿真結(jié)果如圖6所示。圖6為外部和內(nèi)部擾動同時作用下的控制效果圖。
圖6 兩種擾動時的控制效果圖
仿真結(jié)果表明:誘餌火箭彈在PID控制和滑??刂谱饔孟履芸焖俚竭_期望滾轉(zhuǎn)角附近,調(diào)節(jié)時間在4s以內(nèi),響應(yīng)速度快,穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為零,控制精度滿足要求。從圖5~圖7可以知道,控制系統(tǒng)具有很強的控制能力,對內(nèi)部和外界擾動具有很強的魯棒性,使用動量交換裝置的滾轉(zhuǎn)通道具有穩(wěn)定性,控制方案可行。
本文主要對誘餌火箭彈滾轉(zhuǎn)通道進行了研究,建立了滾轉(zhuǎn)通道的動力學(xué)模型,針對其執(zhí)行機構(gòu)與常規(guī)火箭彈的差異,進行了建模和控制算法研究,設(shè)計了控制系統(tǒng)。對系統(tǒng)外回路設(shè)計PID控制器,對動量輪電機設(shè)計滑??刂破鳎⑼ㄟ^仿真驗證了控制系統(tǒng)的有效性,對誘餌火箭彈滾轉(zhuǎn)通道的后續(xù)研究具有一定參考價值。