劉麗媛，邢 然，王趙帥，鄭國(guó)昆，劉海波

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

火箭垂直度調(diào)整的目的是調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)推力線，從而減小火箭起飛段的橫向漂移量。垂直度調(diào)整是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其可靠性及精度是系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)。

運(yùn)載火箭通過(guò)發(fā)射平臺(tái)支承臂機(jī)械接口豎立在發(fā)射平臺(tái)上，中國(guó)運(yùn)載火箭除新一代大型運(yùn)載火箭外，均為4個(gè)支承臂支承運(yùn)載火箭箭體的支承方式，故稱為“四點(diǎn)支承”。支承臂是發(fā)射平臺(tái)的部組件之一，通過(guò)液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)支承臂可實(shí)現(xiàn)支承臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，運(yùn)載火箭采用四點(diǎn)支承時(shí)，通過(guò)對(duì)4個(gè)支承臂的協(xié)調(diào)動(dòng)作，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的垂直度調(diào)整操作。

現(xiàn)有的基于4點(diǎn)支承的垂直度調(diào)整方法，多為半自動(dòng)或單級(jí)垂調(diào)控制模式。為滿足載人火箭的高可靠及高精度需求，需設(shè)計(jì)一種基于全自動(dòng)多級(jí)聯(lián)合的高精度垂調(diào)控制策略的控制系統(tǒng)，將各級(jí)水平度控制在相應(yīng)的允許范圍，實(shí)現(xiàn)整體箭體垂直度調(diào)整需求。這就要求控制算法需能夠解決各級(jí)間的反向作用及相互影響，以滿足系統(tǒng)在性能優(yōu)化的基礎(chǔ)上，減少垂直度調(diào)整時(shí)間的總體要求。

本文對(duì)多級(jí)整體垂調(diào)需求進(jìn)行解析，通過(guò)理論分析，建立算法模型及系統(tǒng)，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)全自動(dòng)多級(jí)聯(lián)合的影響因素及控制算法進(jìn)行探討與改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)4點(diǎn)平面下的快速調(diào)平控制。

1 系統(tǒng)需求及原理模型

1.1 系統(tǒng)需求

本系統(tǒng)及算法需求就是建立在4點(diǎn)支承的基礎(chǔ)上的多級(jí)聯(lián)合全自動(dòng)垂調(diào)系統(tǒng)，既適用于I級(jí)火箭與發(fā)射平臺(tái)對(duì)接后的獨(dú)立垂調(diào)，也適用于Ⅱ級(jí)火箭、星箭組合體上箭對(duì)接后的I、Ⅱ級(jí)同時(shí)垂調(diào)。

本系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)I、Ⅱ級(jí)水平儀數(shù)據(jù)，將測(cè)量垂直度與目標(biāo)垂直度偏差值調(diào)整到總體要求范圍內(nèi)，并在過(guò)程中保證滿足如下條件：

a）支承臂高度升降范圍為0～120 mm，其中兩端各留10 mm的安全范圍。當(dāng)支承臂升降過(guò)程中達(dá)到10 mm的上下限范圍時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警及校正；

b）4個(gè)支承臂在垂直度調(diào)整過(guò)程中執(zhí)行升降動(dòng)作。動(dòng)作時(shí)，當(dāng)高差Δ絕對(duì)值不小于2 mm時(shí)進(jìn)行報(bào)警、校正。

式中～分別為Ⅰ～Ⅳ支承臂高度傳感器示值，單位mm；

c）I級(jí)火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)后進(jìn)行單獨(dú)垂調(diào)，要求I級(jí)水平度（以下簡(jiǎn)稱）滿足∣∣≤0.5′；

d）II級(jí)火箭、星箭組合體轉(zhuǎn)場(chǎng)后對(duì)II級(jí)進(jìn)行垂調(diào)，要求I、II級(jí)水平度（以下簡(jiǎn)稱）分別滿足∣∣≤3′,∣∣≤15′。

調(diào)整到位后，全自動(dòng)垂調(diào)自動(dòng)停止，并給出調(diào)整完畢的結(jié)論。

1.2 原理模型

四點(diǎn)支承調(diào)平，將由4個(gè)獨(dú)立象限中支承臂所在點(diǎn)位確定為1、2、3、4四點(diǎn)的平面，記為一級(jí)平面,如圖1所示。

圖1 一級(jí)平面模型Fig.1 Level 1 Plane Model Diagram

水平傳感器沿、方向布置，、兩個(gè)方向的水平傾角分別為和，兩傳感器間的夾角為，則平臺(tái)的傾斜角度可由和合成為

I、Ⅱ級(jí)水平數(shù)據(jù)原理均可簡(jiǎn)化為如上模型，但I(xiàn)、Ⅱ級(jí)測(cè)量的水平數(shù)據(jù)，受4個(gè)支承臂動(dòng)作調(diào)整的影響不同，在多級(jí)聯(lián)合的情況下，4個(gè)支承點(diǎn)的動(dòng)作對(duì)平面的作用效果存在差異。需通過(guò)合理的算法模型進(jìn)行解算，達(dá)到多級(jí)的綜合優(yōu)化調(diào)整效果。

2 多級(jí)聯(lián)合垂調(diào)控制算法研究

2.1 控制影響因素解析

通過(guò)系統(tǒng)需求分析及控制原理解析，不難發(fā)現(xiàn)多級(jí)聯(lián)合垂調(diào)控制算法應(yīng)能實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)誤差、水平度范圍多因素相互作用下的最優(yōu)動(dòng)作“路線”規(guī)劃。

2.1.1 同步運(yùn)動(dòng)誤差控制

為使4點(diǎn)支承下的各級(jí)箭體水平面處于各自的同一水平面上，在支承臂上升、下降過(guò)程中每一時(shí)刻都要保證4路升降的位移變化絕對(duì)值基本相同，因此不僅要對(duì)每一路升降支承臂的位置進(jìn)行精確位置跟蹤控制，還要對(duì)多路升降支承臂進(jìn)行高精度同步控制，即不僅要考慮每路位移實(shí)際值與設(shè)定值之間的跟蹤誤差，還需考慮該路與相鄰一路之間位移的同步誤差。針對(duì)系統(tǒng)被控對(duì)象多的特點(diǎn)，基于耦合補(bǔ)償原理，本研究采用環(huán)形耦合控制方式對(duì)多路液壓馬達(dá)進(jìn)行同步控制，對(duì)于每路液壓馬達(dá)，僅考慮與其相鄰一側(cè)液壓馬達(dá)的位移偏差，該位移偏差反饋到該路支承臂，對(duì)其控制量進(jìn)行補(bǔ)償修正，各路支承臂之間兩兩耦合，形成耦合環(huán)，在負(fù)載擾動(dòng)等情況下，仍能保證各路之間較好的同步控制精度。位置閉環(huán)跟蹤控制模型如圖2所示。

圖2 位置閉環(huán)跟蹤控制模型Fig.2 Postion Closed-loop Tracking Control Model Diagram

由個(gè)支承臂構(gòu)成的多點(diǎn)控制系統(tǒng)，第點(diǎn)的跟蹤誤差可定義為

為了更好地反映各點(diǎn)位置誤差的變化情況，按鄰近次序定義同步誤差為ε()如式（5）：

2.1.2 水平度調(diào)整控制

不同級(jí)平面的測(cè)量角度傳感器不同，但控制模型一致。針對(duì)每一獨(dú)立級(jí)平面，系統(tǒng)需求以該級(jí)水平度為判據(jù)，可采用角度調(diào)平方法。該方法實(shí)質(zhì)是對(duì)水平儀檢測(cè)實(shí)際傾角角度和進(jìn)行調(diào)整，直到檢測(cè)到的兩個(gè)角度滿足測(cè)量垂直度與目標(biāo)垂直度偏差值小于10″的誤差范圍內(nèi)，則平臺(tái)實(shí)現(xiàn)調(diào)平。

常見的角度誤差控制調(diào)平法的控制邏輯如圖3所示。假設(shè)最高點(diǎn)不動(dòng)，分析角度控制誤差調(diào)平方法。當(dāng)＞0，＞0時(shí)，第1條支腿為最高點(diǎn)，保持第1條支腿的支撐點(diǎn)不動(dòng)，則第2、3條支腿同時(shí)上升就會(huì)使減小，當(dāng)減小至允許誤差范圍值時(shí)2、3支腿停止上升；接下來(lái)令第3、4條支腿上升，從而使減小，當(dāng)減小至允許誤差范圍值時(shí)3、4支腿停止上升，則平臺(tái)實(shí)現(xiàn)調(diào)平。對(duì)于兩個(gè)傾角、的調(diào)節(jié)，一般先調(diào)節(jié)較大的角度，注意在調(diào)節(jié)過(guò)程中，務(wù)必使最高點(diǎn)保持不動(dòng)。

圖3 水平度控制模型Fig.3 Levelness Control Model Diagram

但由于受箭體特性影響，在本系統(tǒng)角度控制調(diào)節(jié)時(shí)無(wú)法保持最高點(diǎn)不動(dòng)原則。所以調(diào)整角度控制策略如下：

其中，項(xiàng)傾角為1、3支承臂連線角度，正值為1低3高，項(xiàng)傾角為2、4支承臂連線角度，正值為2低4高。當(dāng)︱︱＞0，︱︱＞0 時(shí)，對(duì)于兩個(gè)傾角、的調(diào)節(jié)，先調(diào)節(jié)較大的角度。例如傾角較大，則先調(diào)節(jié)傾角軸線上的兩個(gè)支承臂的高度，動(dòng)作方向應(yīng)為傾角變小的趨勢(shì)一致，兩個(gè)支承臂作反向運(yùn)動(dòng)，直到角度值滿足調(diào)平要求，即可停止動(dòng)作。反之亦然。

2.2 控制算法研究

通過(guò)各影響因素解析及控制模型建立，綜合多級(jí)聯(lián)合垂調(diào)的支承臂控制策略如下：

在支承臂控制過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各支承臂高度，計(jì)算控制誤差，并將采集和控制輸出信號(hào)傳送執(zhí)行機(jī)構(gòu)及顯示器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)作過(guò)程數(shù)據(jù)。同時(shí)接受來(lái)自I級(jí)火箭水平儀I-III象限垂直度、I級(jí)火箭水平儀II-IV象限垂直度、II級(jí)火箭水平儀I-III象限垂直度、II級(jí)火箭水平儀II-IV象限垂直度，用于支承臂垂調(diào)流程控制。

依據(jù)要求I級(jí)水平度、II級(jí)水平度，分別滿足 ∣∣≤3′和∣∣≤15′，∣－∣≤18′自動(dòng)調(diào)整；∣－∣＞18′協(xié)商手動(dòng)調(diào)整。分解判斷策略如表5所示，設(shè)為0′至1′之間的一個(gè)控制公差（默認(rèn)0.5′）。其中，邊界范圍值及公差值均可根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)置調(diào)整。

表1 垂調(diào)控制策略分析表Tab.1 Vertical Control Strategy Analysis Table

由于算法采用水平度及位移值雙閉環(huán)處理，為避免產(chǎn)生反復(fù)調(diào)節(jié)及“過(guò)矯”情況，同時(shí)在算法控制中，設(shè)定控制原則如下：

a）設(shè)定優(yōu)先級(jí)分別為：水平度→位移值；

b）各傾角方向單獨(dú)判斷調(diào)整，確定各傾角線上支承臂動(dòng)作；

c）單次動(dòng)作中，單一傾角方向上的支承臂動(dòng)作調(diào)節(jié)，需按首次判定方向動(dòng)作，不允許進(jìn)行反向調(diào)節(jié)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的控制算法，搭載支承臂垂調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)見圖4，系統(tǒng)采用PLC控制器，運(yùn)行周期10 ms左右，具有快速的計(jì)算性能?？刂破魍ㄟ^(guò)模擬量采集通路采集各支承臂的位移傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值，通過(guò)串口接收箭上各級(jí)水平角度數(shù)值，通過(guò)控制器控制算法計(jì)算判斷，給出各個(gè)支承臂的動(dòng)作控制信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作，達(dá)到調(diào)整箭體整體垂直度的效果。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括支承臂、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等外圍所有動(dòng)作設(shè)備。控制系統(tǒng)主要通過(guò)輸出不同的流量控制信號(hào)，給比例放大板，控制液壓系統(tǒng)比例流量閥的調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)支承臂的動(dòng)作精度控制。

圖4 控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Control System Architecture Diagram

4 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

基于支承臂垂調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)備對(duì)控制算法進(jìn)行了兩部分驗(yàn)證測(cè)試。

4.1.1 邊界范圍控制測(cè)試

主要以水平儀的各種邊界情況進(jìn)行策略判定測(cè)試驗(yàn)證在極端工況下的算法自適應(yīng)情況。當(dāng)I、II級(jí)水平儀數(shù)據(jù)在要求范圍內(nèi)時(shí)，不進(jìn)行調(diào)平動(dòng)作；當(dāng)不滿足要求時(shí)，共有3種工況：

a）I級(jí)水平儀滿足，II級(jí)水平儀不滿足。

此情況下的水平角度邊界測(cè)試值及動(dòng)作狀態(tài)值如表2所示，其中，分別為1，3方向和2，4方向上的傾角值，下角標(biāo)1，2代表所相應(yīng)的級(jí)層。

表2 水平角度及動(dòng)作狀態(tài)1Tab.2 Horizontal Angle and Motion State 1

b）I級(jí)水平儀不滿足，II級(jí)水平儀滿足。

此情況下的水平角度邊界測(cè)試值及動(dòng)作狀態(tài)值如表3所示。

表3 水平角度及動(dòng)作狀態(tài)2Tab.3 Horizontal Angle and Motion State 2

c）I、II級(jí)水平儀都不滿足。

此情況下的水平角度邊界測(cè)試值及動(dòng)作狀態(tài)值如表4所示。

表4 水平角度及動(dòng)作狀態(tài)3Tab.4 Horizontal Angle and Motion State 3

根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)物測(cè)試邊界結(jié)果可見，控制算法在各邊界工況下的自動(dòng)判斷優(yōu)化選擇有效，與期望運(yùn)動(dòng)控制效果一致，能夠滿足系統(tǒng)自動(dòng)多級(jí)聯(lián)合垂調(diào)判斷控制使用要求。

4.1.2 控制性能測(cè)試

測(cè)試控制算法在任意工況下，調(diào)節(jié)動(dòng)作的控制性能及效果。以實(shí)際測(cè)試時(shí)某次動(dòng)作數(shù)據(jù)為例，水平角度數(shù)值向傾角5′08″，向傾角4′09″，各支承臂初始動(dòng)作高度值均為60 mm，目標(biāo)值向傾角2′，向傾角2′。調(diào)整后，水平角度數(shù)值向傾角2′04″，向傾角2′04″，各支承臂高度值依次為Ⅰ：58.39 mm，Ⅱ： 59.35 mm，Ⅲ：62.06 mm，Ⅳ：61.20 mm。各支承臂位移變化趨勢(shì)如圖5所示，水平角度變化趨勢(shì)如圖6所示，傾角角度值在實(shí)際計(jì)算及記錄中統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為單位秒。

圖5 支承臂位移變化趨勢(shì)Fig.5 Displacement Trend Diagram of Supporting Arm

圖6 水平角度變化趨勢(shì)Fig.6 Horizontal Angle Trend Chart

4.2 結(jié)果分析

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可總結(jié)多級(jí)自動(dòng)垂調(diào)控制算法下支承臂動(dòng)作規(guī)律如下：

a）各支承臂動(dòng)作時(shí)，對(duì)關(guān)鍵因素的影響由大到小為：水平度→位移值。

b）水平度調(diào)整時(shí)，不同向傾角間，相互影響較小，變化趨勢(shì)趨近一致。

c）垂直度調(diào)整時(shí)高度值及變化差值算法能夠閉環(huán)控制在±0.5 mm。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的控制算法能滿足多級(jí)聯(lián)合垂調(diào)控制的需求，控制精度高，提升了垂調(diào)控制性能及控制時(shí)間，具有極強(qiáng)的工程應(yīng)用性。

5 結(jié) 論

本文依據(jù)需求，以水平傾角及支承臂位移高度作為調(diào)整控制對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種多級(jí)聯(lián)合垂調(diào)控制算法，試驗(yàn)證明該算法能高效實(shí)現(xiàn)箭體垂直度的快速判定與調(diào)整控制，調(diào)整結(jié)果與目標(biāo)期望值一致，將誤差控制在要求范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高精度雙閉環(huán)垂調(diào)控制功能?；谠O(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)垂調(diào)控制下的各關(guān)鍵因素的調(diào)整趨勢(shì)及規(guī)律做了深入探討，總結(jié)了各關(guān)鍵因素受控制策略影響的優(yōu)先程度，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)多級(jí)聯(lián)合的高精度垂調(diào)控制。該控制算法已應(yīng)用于某型號(hào)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)大修的電氣系統(tǒng)更新研制中，并經(jīng)過(guò)了出廠測(cè)試、靶場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試及發(fā)射任務(wù)的考核。