基于高增益观测器的火炮药协调臂自适应滑模控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于高增益观测器的火炮药协调臂自适应滑模控制方法，首先建立火炮药协调臂机电伺服的数学控制模型；然后采用高增益观测器来估计火炮药协调臂机电伺服系统的未知状态并对其进行有效的在线跟踪和补偿，设计滑模控制器来消除所观测状态的误差，从而实现火炮药协调臂机电伺服系统的快速高精度控制。针对滑模控制过程中出现的高频抖振现象，设计了一种自适应律并与滑模控制器相结合，从而极大地削弱了控制量的抖振。仿真实验结果表明，在输药机装满药的极端工况下，该控制方法具有较优的动态跟踪性能和鲁棒性，大幅提高了药协调臂的到位速度和精度。提高了药协调臂的到位速度和精度。提高了药协调臂的到位速度和精度。

【技术实现步骤摘要】
基于高增益观测器的火炮药协调臂自适应滑模控制方法


[0001]本专利技术属于机电伺服控制领域，特别是一种基于高增益观测器的火炮药协调臂自适应滑模控制方法。

技术介绍

[0002]药协调臂机电伺服系统作为火炮自动装填系统的核心关键技术之一，其到位精度直接影响到火炮的射速。因此，提高药协调臂机电系统控制性能具有重要的实际应用价值。
[0003]但是由于药协调臂机电伺服系统具有很强的非线性以及不确定性，要实现高性能控制比较困难，现阶段火炮药协调系统仍然采用PID控制策略。
[0004]在《某火炮药协调器动力学与控制一体化建模与分析》一文中，对火炮药协调臂采用PID控制策略，最终测量协调过程中最大角度误差为0.34
°
，虽然运动过程较平稳，但仍难以将协调过程中的角度误差控制在
±
0.1的要求内，同时还存在着整定困难、适应系统参数变化能力弱等缺点，因此需要一种精度更高响应更快的控制方法来满足药协调臂机电伺服系统日益增长的控制性能需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高增益观测器的火炮药协调臂自适应滑模控制方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、建立火炮药协调臂机电伺服系统的动力学模型，转入步骤2；步骤2、基于火炮药协调臂机电伺服系统的动力学模型设计高增益观测器，转入步骤3；步骤3、利用火炮药协调臂机电伺服系统的动力学模型和高增益观测器，并结合滑模函数，设计初始滑模控制器u
SMC
，转入步骤4；步骤4、将自适应律代入初始滑模控制器u
SMC
，得到最终的滑模控制器u，转入步骤5；步骤5、通过仿真调整滑模控制器u的参数，实现药协调臂机电伺服系统的快速高精度控制。2.根据权利要求1所述的基于高增益观测器的火炮药协调臂自适应滑模控制方法，其特征在于，步骤1中，建立火炮药协调臂机电伺服系统的动力学模型，具体如下：步骤1.1、搭建火炮药协调臂机电伺服系统：火炮药协调臂包括输药机(1)、电缸(3)、调姿轴(4)、协调臂(5)、减速器(6)、伺服电机(7)和若干模块药(2)，伺服电机(7)作为协调电机，电缸(3)作为调姿电缸；协调臂(5)的第一端分别与调姿轴(4)和电缸(3)相连，输药机(1)分别与调姿轴(4)和电缸(3)相连，输药机(1)通过电缸(3)的伸缩绕调姿轴(4)在协调臂(5)上作摆动运动，以实现输药机(1)的调姿动作；模块药(2)放置在输药机(1)内，满载状态下装载6块模块药(2)；协调臂(5)的第二端和摇架固定盘通过减速器(6)相连，减速器(6)再与固定在协调臂(5)第二端的伺服电机(7)相连，伺服电机(7)带动协调臂(5)回转，通过协调臂(5)的回转和输药机(1)的调姿实现模块药(2)的协调动作；步骤1.2、建立火炮药协调臂机电伺服系统的机构运动简图：将耳轴处点O作为火炮药协调臂机电伺服系统的固定支点，即火炮药协调臂机电伺服系统的回转中心；点A为电缸(3)的前支点，点B为电缸(3)的后支点，其中电缸(3)前支点A铰接于输药机(1)上，电缸(3)后支点B铰接于协调臂(5)臂体上；点C为输药机(1)的回转中心，同时为输药机(1)和模块药(2)的质心；点D为协调臂(5)的质心；设协调臂(5)的回转角度为θ，输药机(1)相对于协调臂(5)的回转角度为β，负载端扭矩为T
e
，电缸(3)到回转中心点O的距离为d1，电缸(3)到点C的距离为d2，点D到点O的距离为l1，点C到点O的距离为l2，协调臂(5)的质量为m1，输药机(1)的质量为m2，模块药(2)的质量为m3，F1、F2均为电缸提供的伸缩力，F1和F2大小相等、方向相反；步骤1.3、使用伺服电机(7)对火炮药协调臂机电伺服系统进行位置控制时，忽略电机内部电流环特性，采用矢量控制法，输出控制电流i
q
，伺服电机(7)的电磁转矩T方程为：式中：P
n
为伺服电机(7)磁极对数；为转子磁链；K
t
为电机转矩常数；则等效至负载端扭矩T
e
为：T
e
＝T
·
ξ
·
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中：i为减速器的传动比；ξ为减速器的传动效率；步骤1.4、以整个火炮药协调臂机电伺服系统为对象，自由度为2，选择θ和β为广义坐标，由于所述火炮药协调臂机电伺服系统受到非有势力的作用，将拉格朗日方程改写为一
般形式：式中：q
j
为广义坐标，为广义加速度；表示L对的偏导数，表示L对q
j
的偏导数；Q
j
为系统中的非有势广义力，L为拉格朗日函数，t表示时间，j表示系统中的质点数；其中：L＝T
′‑
V
′ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)此处T
′
表示系统的动能，V
′
表示系统的势能，对于火炮药协调臂机电伺服系统，有：式中，T1为协调臂(5)的动能，T2为输药机(1)的动能，J1表示协调臂(5)作用在点O上的转动惯量，J2为输药机(1)作用在D点处的转动惯量，n为模块药(2)数量；为θ的一阶导数；...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹强，尹正林，羊柳，陈龙淼，邹权，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：