火箭炮交流位置伺服系统滑模变结构控制策略
朱玉川 马大为 李志刚 许寿彭
(1.南京理工大学,江苏南京 210094; 2.防空兵指挥学院,河南郑州 450052)
摘 要:对多管火箭炮负载特性,转动惯量变化规律及其燃气流冲击力矩作用规律进行了定量分析,基于此设计了多管火箭炮交流位置伺服系统结构并提出了滑模变结构控制策略,对其具体控制结构的形式进行了分析,提出了统一滑模变结构控制和串级滑模变结构控制两种方案。最后给出了两种滑模变结构控制结构的计算机仿真结果,结果表明该控制策略具有较强的抗负载扰动能力和参数鲁棒性,可以适应多管火箭炮的负载干扰力矩以及转动惯量的变化。
关键词:自动控制技术;多管火箭炮;滑模变结构控制;统一滑模控制;串级滑模控制
中图分类号:TP 13 学科分类代码:510.80 文献标识码:A
多管火箭炮位置伺服系统较防空高炮而言有其自身的特点,即多管火箭炮由于弹炮质量比较大,不平衡力矩大范围变化以及发射时负载阻力矩和转动惯量变化较大,加之多管火箭炮不同弹种共架发射带来的负载变化,故对多管火箭炮位置伺服系统的控制策略要求较高,使用传统的火炮控制策略将不能很好地适应多管火箭炮这样一种大负载、大转动惯量变化以及强干扰的场合。滑模变结构控制策略具有鲁棒性强、对参数变化和外部扰动具有完全的适应性等特点,故笔者在多管火箭炮位置伺服系统结构设计的基础上来讨论滑模变结构控制的应用及其控制器的设计。
1 多管火箭炮位置伺服系统结构及其负载特性
1.1 多管火箭炮位置伺服系统结构
火炮位置伺服系统经历了液压伺服、直流伺服和交流伺服的发展过程,目前由于稀土永磁材料性能的不断提高和价格的不断下降,使稀土永磁交流伺服系统成为交流伺服系统的发展主流,本文将永磁同步伺服电动机(PMSM)应用于多管火箭炮位置伺服系统,构成多管火箭炮数字交流伺服系统,即以交流永磁同步伺服电动机为执行元件,系统速度环和位置环控制采用数字控制,其电气原理如图1所示。
1.2 多管火箭炮位置伺服系统负载特性
多管火箭炮位置伺服系统工作状态分为加速调转、等速跟踪和发射3种状态,不同的工作状态其负载特性和系统本身参数均有很大的变化,同时在发射状态其负载扰动冲击力矩及其转动惯量变化很大。如图2、3分别为多管火箭炮俯仰不平衡力矩和燃气流冲击力矩随俯仰角度和时间的变化曲线,图4、5分别为多管火箭炮发射状态俯仰和方位转动惯量变化图。
如图2所示,俯仰部分不平衡力矩随俯仰角度连续变化,这种负载变化存在于调转、跟踪和发射3种状态。图3所示为单管发射燃气流冲击力矩,该力矩的特点是作用时间很短。图4、5为发射状态俯仰和方位系统的转动惯量的变化情况,其变化规律与多管火箭炮的发射顺序有关。由图2~5可以看出系统负载和参数变化范围以及扰动力矩均较大,所以对系统控制策略提出了较高要求。
2 滑模变结构控制策略及其应用
2.1 滑模变结构控制理论
滑模变结构控制本质上是一种非线性控制,其本质特征在于系统的“结构”并不固定,可以在动态过程中根据系统当时的状态,以跃变的方式有目的地不断变化,迫使系统按预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与控制对象参数扰动无关,这就使得变结构控制系统的滑动模态具有对参数及摄动、不确定性外界干扰具有完全鲁棒性,物理实现简单等优点。
满足到达条件则系统能从空间Rn中的任意点渐进趋于S(x)=0的超平面,达到此平面后,将沿该平面滑向原点,这种运动称为滑模运动,其运动品质将决定系统运动性能好坏。
2.2 火箭炮交流位置伺服系统统一滑模变结构控制
在交流永磁同步位置伺服三闭环控制系统中,由于电流环采用滞环控制方式,因此可以把包括电流环在内的PMSM (负载惯量折算至电机输出轴上)、逆变器看为广义的“被控对象”。因逆变器包含在电流环内,而考虑系统电磁时间常数比机械时间常数小得多,且电流环响应速度远快于速度环和位置环的响应速度,因此可将电流环近似简化为比例系数为1的比例环节[2,3],变结构控制器设计可以将位置调节器与速度调节器合二为一组成滑模控制器对位置环和速度环进行统一控制。其控制结构如图6所示。
这种形式的控制方式具有结构简单,实现方便的特点,系统实际设计时考虑到由于滑模控制器的输出量为离散变化,这样会导致力矩电流的剧烈抖动,从而导致系统的稳态精度不高,解决的方法可以通过施加积分环节来消除系统静差。同时结合其他智能控制策略的滑模变结构控制均在一定程度上可以降低系统抖振幅度,多管火箭炮位置伺服系统中可以采用神经网络补偿的办法来提高系统控制性能,即利用神经网络的学习和泛化能力弥补传统变结构控制的缺陷,使用具有自学习能力的自适应滑模变结构控制规律,以降低滑模变结构控制的控制增益,从而抑制滑模变结构控制的抖振现象。
2.3 火箭炮交流位置伺服系统串级滑模变结构控制
串级滑模变结构控制就是将火箭炮交流位置伺服系统的速度控制器和位置控制器分开进行独立设计。在设计速度调节器时,为了削弱滑模控制的抖动,使转矩平滑,提高稳态精度,可以在滑模变结构调节器与对象之间引入积分补偿环节[4,5]。从而将滑模变结构调节器输出的开关信号转化为平均转矩指令信号,从而避免将控制直接作用对象而导致大的转矩脉动甚至激发机械共振。图7是速度调节器的动态结构图。
位置环滑模变结构调节器的输出即为速度闭环的速度给定。由于变结构调节器的开关特性是非理想的,其输出也是离散变化的,如果调节器本身所固有的抖动不加以解决,将降低系统的稳态精度。位置环滑模变结构调节器的设计对被控系统模型精
采用一个控制器统一控制位置和速度变量会给系统限幅带来较大困难,从而会限制其使用。由上述速度和位置滑模变结构控制器组成的串级滑模变结构控制解决了系统的限幅问题,并能使系统具备更强的抗负载扰动能力,由它控制的系统具有非常优良的控制性能。基于串级滑模变结构控制方案组成的位置伺服系统的速度调节器具有比常规PI调节器更强的抗干扰能力,其位置调节器遵循滑模变结构理论,可以进一步增强伺服系统的抗扰能力,并能实现定位时间的最优控制。由于火箭炮交流位置伺服系统电流、速度和位置量的变化均有设计指标和元件工作参数要求及限制,因此串级滑模变结构控制更加扩展了变结构控制的应用范围并给系统的工程实现提供了保证。且以火箭炮高低交流位置伺服系统为例进行了系统滑模变结构控制策略的应用设计。
如图9、10所示,图中1为串级滑模控制阶跃响应曲线, 2为统一滑模控制阶跃响应曲线, 3为经典控制阶跃响应曲线。其中图9在1 s负载突加10 N.m的干扰力矩,图10为系统转动惯量变化2倍时的响应曲线。由图9可以看出,经典控制对系统扰动敏感,突加负载使系统响应产生的抖动消除时间长,统一滑模控制器对系统负载干扰力矩产生的抖动消除时间较快,串级滑模控制器对负载扰动最不敏感,鲁棒性最好。由图10可以看出,经典控制对系统惯量变化十分敏感,使系统阶跃响应产生超调,而统一滑模控制和串级滑模控制对系统参数摄动具有较强的鲁棒性,保证了系统响应无振荡、无超调,具有较明显的优势。
4 结束语
滑模变结构控制以其良好的控制性能和易于实现等特点,使它在高性能交流伺服系统中的应用日益普遍。本文通过对多管火箭炮位置伺服系统参数、负载变化规律及外在扰动的分析和系统控制结构设计的基础上,结合滑模变结构控制的具体特点提出将滑模变结构控制策略应用于火箭炮交流位置伺服系统,并对其具体控制结构进行分析及计算机仿真,结果表明该控制策略具有较强的抗负载扰动能力和参数鲁棒性,可以适应多管火箭炮的负载干扰力矩以及转动惯量的变化,为多管火箭炮用于防空反导解决了一项关键技术。
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