一种火箭炮在行进间发射的位置伺服系统的控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种火箭炮在行进间发射的位置伺服系统的控制方法，属于机电伺服控制领域。本发明专利技术基于ARC控制方法，通过线性扩张状态观测器估计未知非线性项，引入火箭炮在行进间的路面随机扰动、燃气流冲击及摩擦力矩等外部扰动，结合自适应鲁棒控制，设计了基于扰动补偿的自适应鲁棒控制器。所设计的控制器提高了火箭炮位置伺服系统在行进间发射时跟踪状态和连续燃气流冲击下的控制精度，并且抑制了路面扰动对系统的影响，具有较强的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种火箭炮在行进间发射的位置伺服系统的控制方法
本专利技术涉及火箭炮行进间发射伺服控制技术，具体涉及一种火箭炮在行进间发射的位置伺服系统的控制方法。
技术介绍
火箭炮位置伺服系统是一个复杂的非线性系统，在发射过程中伴随着火箭炮系统转动惯量的变化，系统刚度、阻尼的变化，路面的随机扰动导致系统模型变化；在发射状态时系统受连续燃气流冲击力矩等强干扰导致炮弹的发射平台振动，偏离了初始位置，使得后续射弹在此发射环境下命中精度降低。因此，提高火箭炮武器系统的杀伤力和战场生存性能，控制策略是其核心控制技术对提高火箭炮伺服系统性能至关重要，常规的PID控制由于控制器的结构和参数固定，很难满足发射装置伺服系统动态和稳态指标的要求，更谈不上行进间发射。因此研究火箭炮发射系统控制策略，是提高火箭炮射击精度，进而提高其毁伤效率能力的有效途径之一，具有十分重要的意义。朱林在《某型多管火箭炮发射平台控制系统的研究与设计》一文中，对某多管火箭炮控制系统进行了研究设计，其采用电机作为动力源，由于电机转速较高，所以配以减速器，通过控制算法使其得到较高的回转精度。但是没有真正给出切实可行的能解决火箭炮在行进间发射问题的方法，有较大局限性。沈显庆等人在《基于模型参考自适应模糊神经网络的永磁直线同步电动机速度伺服系统》译文中提出了一种将模型参考自适应与神经网络相结合的控制策略，采用在线辨识参数技术，对参数变化及时补偿。但是智能控制算法复杂，计算量大，对硬件条件要求高，限制了这些方法在实际中的应用。
技术实现思路
本专利技术提供了一种火箭炮在行进间发射的位置伺服系统的控制方法，解决了火箭炮在行进间发射精度低、系统响应慢的问题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种火箭炮在行进间发射的位置伺服系统的控制方法，包括以下步骤：步骤1、建立基于驱动器在转矩模式下的火箭炮行进间发射的位置伺服系统模型，包括位置伺服系统动力学模型和位置伺服系统数学模型，转入步骤2；步骤2、针对火箭炮在行进间发射不确定性，对驱动器在转矩模式下的火箭炮在行进间发射的位置伺服系统设计基于扰动补偿的自适应鲁棒控制器，并和传统PID控制进行比较，仿真证明自适应控制性能优于PID。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)添加火箭炮行进间发射过程中系统扰动如系统未建模摩擦、火箭炮在行驶过程中路面扰动、燃气流冲击干扰及惯性力矩扰动。(2)通过线性扩张状态观测器估计出扩张状态的实时作用量，并通过估计值补偿系统扰动，设计了基于扰动补偿的自适应鲁棒控制器。(3)采用自适应鲁棒算法，有效地克服了非线性特性对系统控制精度的影响。附图说明图1为火箭炮两轴系统空间结构示意图。图2为火箭炮两轴系统坐标关系变换图。图3为两轴输出角度估计值误差曲线图，其中图a)为方位轴输出角度估计值曲线图，图b)为俯仰轴输出角度估计值曲线图。图4为两轴未知扰动估计值误差曲线图，其中图a)方位轴未知扰动估计值曲线图，图b)为俯仰轴未知扰动估计值曲线图。图5为本专利技术控制器的两轴跟踪误差曲线图，其中图a)方位轴跟踪误差曲线图，图b)为俯仰轴跟踪误差曲线图。图6为两轴采用PID和ARC的跟踪误差曲线对比图，其中图a)方位轴跟踪误差曲线图，图b)为俯仰轴跟踪误差曲线图。图7为本专利技术火箭炮在行进间发射的位置伺服系统结构原理图。具体实施方式本专利技术针火箭炮在行进间发射的位置伺服系统中不确定非线性的特点，建立了系统的模型，并在此基础上设计了线性观测器估计未知非线性项，并通过估计值补偿系统扰动，将系统补偿成线性积分器串联型，结合自适应鲁棒控制，设计了基于扰动补偿的自适应鲁棒控制器。结合图1～图7，一种火箭炮在行进间发射的位置伺服系统的控制方法，方法步骤如下：步骤1、建立基于驱动器在转矩模式下的火箭炮行进间发射的位置伺服系统模型，包括位置伺服系统动力学模型和位置伺服系统数学模型，具体如下：步骤1-1、建立火箭炮在行进间发射的位置伺服系统动力学模型。火箭炮两轴系统的空间结构示意如图1所示。火箭炮两轴系统在空间上分为俯仰系统和方位系统，以O为坐标原点，建立xyz三轴坐标系，俯仰系统绕俯仰轴y运动，方位系统绕z轴运动。如图2所示，坐标系Oxayaza表示方位系统坐标系，坐标系Oxpypzp表示俯仰系统坐标系。方位系统绕转动轴Oza转动角度γ，俯仰系统绕转动轴Oyp转动角度β。定义俯仰系统投影到方位系统的转移矩阵Pa：定义方位系统角速度矢量ωa：定义系统角速度矢量角速度ωp：假设方位系统和俯仰系统相对于各自坐标系是对称的，则俯仰系统的转动惯量矩阵Jp和方位系统的转动惯量矩阵Ja分别为：式中：分别表示俯仰系统转动惯量，表示方位系统转动惯量；则俯仰系统相对于方位系统的转动惯量矩阵Jpa为：则俯仰系统相对于方位系统Oza轴转动惯量为：俯仰系统相对于转动轴Oyp的转动惯量为：两转动轴联动时，方位系统对方位轴Oza转动惯量为：根据刚体的欧拉动力学方程，得俯仰系统在其连体坐标系下力矩为：其中，Mxp、Myp、Mzp分别为俯仰系统在x、y、z轴转矩；而方位系统在方位系统坐标系下的力矩等于俯仰系统在其连体坐标系下的力矩在方位系统坐标系上的投影与方位系统在其连体坐标系下的力矩之和，则火箭炮全系统所受力矩在方位系统坐标系下为：式中，Mxp、Myp、Mzp分别为俯仰系统在x、y、z轴转矩；Maa为方位系统在其连体坐标系下的力矩。同理可得方位系统受系统对方位轴的转矩为：得两轴转台的转矩方程为：电机输出转矩方程为：Tea＝Ktaup(14)Tea＝Ktaua(15)式中，Tep为俯仰系统电机输出转矩，Tea为方位系统电机输出转矩，Ktp为俯仰系统电压转矩系数，kta为方位系统电压转矩系数，up为俯仰轴输入电压，ua为方位轴输入电压。得当驱动器配置在转矩模式下时，两轴系统运动方程为：式中ip为俯仰系统减速比，ia为方位系统减速比，Bp为俯仰轴粘性摩擦Ba为方位轴粘性摩擦，Tfp为俯仰轴折算到电机端的未建模摩擦力矩和干扰，Tfa方位轴折算到电机端的未建模摩擦力矩和干扰。步骤1-2、建立火箭炮在行进间发射的位置伺服系统数学模型：电机惯性负载的动力学运动方程为：其中ω表示角位移，m表示折算到电机端的惯性负载，K表示扭矩常数，u是系统控制输入，Bp表示粘性摩擦系数，Tf表示系统折算到电机端的未建模摩擦力矩和干扰。根据式(16)、(17)，火箭炮耦合系统数学模型状态空间表达式为：其中x1，x3分别表示方位系统和俯仰系统的位置角度，x2，x4分别表示方位系统和俯仰系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种火箭炮在行进间发射的位置伺服系统的控制方法，方法步骤如下：/n步骤1、建立基于驱动器在转矩模式下的火箭炮行进间发射的位置伺服系统模型，包括位置伺服系统动力学模型和位置伺服系统数学模型，转入步骤2；/n步骤2、针对火箭炮在行进间发射不确定性，对驱动器在转矩模式下的火箭炮在行进间发射的位置伺服系统设计基于扰动补偿的自适应鲁棒控制器，并和传统PID控制进行比较，仿真证明自抗扰控制性能优于PID。/n

【技术特征摘要】
1.一种火箭炮在行进间发射的位置伺服系统的控制方法，方法步骤如下：
步骤1、建立基于驱动器在转矩模式下的火箭炮行进间发射的位置伺服系统模型，包括位置伺服系统动力学模型和位置伺服系统数学模型，转入步骤2；
步骤2、针对火箭炮在行进间发射不确定性，对驱动器在转矩模式下的火箭炮在行进间发射的位置伺服系统设计基于扰动补偿的自适应鲁棒控制器，并和传统PID控制进行比较，仿真证明自抗扰控制性能优于PID。


2.根据权利要求1所述的火箭炮行进间发射伺服系统的控制方法，其特征在于：步骤1中，建立基于驱动器在转矩模式下的火箭炮行进间发射的位置伺服系统模型，包括位置伺服系统动力学模型和位置伺服系统数学模型，具体如下：
步骤1-1、建立火箭炮在行进间发射的位置伺服系统动力学模型，火箭炮两轴系统在空间上分为俯仰系统和方位系统，以O为坐标原点，建立xyz三轴坐标系，俯仰系统绕俯仰轴y运动，方位系统绕z轴运动；
坐标系Oxayaza表示方位系统坐标系，坐标系Oxpypzp表示俯仰系统坐标系，方位系统绕转动轴Oza转动角度γ，俯仰系统绕转动轴Oyp转动角度β；
定义俯仰系统投影到方位系统的转移矩阵Pa：



定义方位系统角速度矢量ωa：



定义系统角速度矢量角速度ωp：



假设方位系统和俯仰系统相对于各自坐标系是对称的，则俯仰系统的转动惯量矩阵Jp和方位系统的转动惯量矩阵Ja分别为：






式中：分别表示俯仰系统转动惯量，表示方位系统转动惯量；
则俯仰系统相对于方位系统的转动惯量矩阵Jpa为：



则俯仰系统相对于方位系统Oza轴转动惯量为：



俯仰系统相对于转动轴Oyp的转动惯量为：



两转动轴联动时，方位系统对方位轴Oza转动惯量为：



根据刚体的欧拉动力学方程，得俯仰系统在其连体坐标系下力矩为：



其中，Mxp、Myp、Mzp分别为俯仰系统在x、y、z轴转矩；
而方位系统在方位系统坐标系下的力矩等于俯仰系统在其连体坐标系下的力矩在方位系统坐标系上的投影与方位系统在其连体坐标系下的力矩之和，则火箭炮全系统所受力矩在方位系统坐标系下为：



式中，Mxp、Myp、Mzp分别为俯仰系统在x、y、z轴转矩；Maa为方位系统在其连体坐标系下的力矩。
同理可得方位系统受系统对方位轴的转矩为：



得两轴转台的转矩方程为：






得当驱动器配置在转矩模式下时，两轴系统运动方程为：



式中Ktp为俯仰系统电压转矩系数，Kta为方位系统电压转矩系数，up为俯仰轴输入电压，ua为方位轴输入电压，ip为俯仰系统减速比，ia为方位系统减速比，Bp为俯仰轴粘性摩擦Ba为方位轴粘性摩擦，Tfp为俯仰轴折算到电机端的未建模摩擦力矩和干扰，Tfa方位轴折算到电机端的未建模摩擦力矩和干扰。
步骤1-2、建立火箭炮方位和俯仰系统数学模型
电机惯性负载的动力学运动方程为：



其中ω表示角位移，m表示折算到电机端的惯性负载，K表示扭矩常数，u是系统控制输入，Bp表示粘性摩擦系数，Tf表示系统折算到电机端的未建模摩擦力矩和干扰。
根据式(16)、(17)，火箭炮耦合系统数学模型状态空间表达式为：



其中x1，x3分别表示方位系统和俯仰系统的位置角度，x2，x4分别表示方位系统和俯仰系统减速器输出角度，定义向量θa＝[θ1θ2]T为方位系统不确定性参数，同理θp＝[θ3θ4]T为俯仰系统不确定性参数；dp(x，t)为俯仰未建模干扰；da(x，t)为方位系统未建模干扰。


3.根据权利要求1所述的火箭炮在行进间发射的位置伺服系统的模型，其特征在于：所述俯仰系统外部干扰和方位系统外部干扰均包括未建模摩擦、火箭炮在行驶过程中路面扰动、燃气流冲击干扰及惯性力矩扰动。


4.根据权利要求1或2所述的火箭炮...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚建勇，张玉航，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32