火箭炮电液伺服系统的滑模控制研究
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第31卷第1期 2014年1月 机 电 工 程 V01.31 No.1 Journal of Mechanical&Electrical Engineering Jan.2014 DOI:10.3969/j.issn.1001—4551.2014.01.019 火箭炮电液伺服系统的滑模控制研究 柴华伟 ,贾 智 ,薛亚平 ,张云虎 ,李志刚2 (1.江苏理工学院机械工程学院,江苏常州213001;2.南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094) 摘要:针对在不同射角和带弹量下,火箭炮方向机以及托架的转动惯量是不断变化的问题,以及外部干扰(如冲击力矩等)也会时变 的情况,将滑模型控制策略引入该电液伺服控制系统中。首先,对其电液伺服控制系统原理进行了阐述,得出了其状态方程;其次, 设计了伺服控制系统的滑模控制器,克服了系统模型不精确和扰动的影响,以提高系统的抗干扰能力;最后,进行了系统的仿真。 研究结果表明,与常规PID控制器相比,该控制器可以减小动态误差,增强系统的鲁棒性,而且抗扰性改善明显,满足了系统的要求。 关键词:火箭炮;电液伺服;滑模控制器 中图分类号:TH137;TJ393;TP273 文献标志码:A 文章编号:1001—455l(2014)O1—0090—04 Sliding mode control research of electro-hydraulic system for artillery CHAI Hua—wei ,JIA Zhi ,XUE Ya—ping ,ZHANG Yun—hu ,L1 Zhi—gang (1.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University of Technology,Changzhou 213001,China; 2.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China) Abstract:Aiming at different launching angles and cartirdge loading,rotating inertia ot oriental machine and supporting bracket is constantly varied.In addition,impacting moment is also changed,hence its electro—hydraulic system was defined as a typical nonlinear system.Thus, a sliding mode controller(SMC)was introduced to electro—hydraulic servo contro1.Firstly,control principle was interpreted to gain its state equations.Secondly,SMC was desingned to overcome effects of model uncertainties and disturbance to enhance anti—disturbance ability.In the end,simulation was carried out.Simulation results show that,compared with conventional PID controller,dynamic error is reduced and robustness is enhanced by this SMC,fulilfling system requests. Key words:artillery;electro—hydraulic servo;sliding mode controller(SMC) 0 引 言 火箭炮是一种多发联装火箭弹发射器,常用于火 规模面压制,以缩短我国与世界先进国家的差距,达到 世界先进水平,具有重大的现实意义。 本研究主要探讨火箭炮电液同服系统的滑模控制。 力压制¨ 。在武器系统中,火箭炮是常规的压制武 器,可以提供大面积瞬时密集火力,在二战后的历次战 争中作为高效毁伤、远程目标压制武器显示出了巨大 的威力。近年来,防空火箭武器的生产技术得到了很 大提高,射击精度也大大提高。更重要的是其制造成 本较低,操作简便,适合作为射击密集度大、持续时间 1 系统简介 本研究的研究对象为一口径227 mnl火箭炮,采 用车载驱动和液压控制[21,并且装有纵横倾角传感 器,用于检测车体的纵横方向倾角。为了确保发射过 程车体稳定,本研究在车体增设4个液压千斤顶,火箭 长的火力压制武器使用。因此,研制新型火箭炮及高 性能的火箭炮位置伺服系统,用于精确打击及进行大 收稿日期:2013—07—10 炮的发射器锁紧及挡弹机构为气缸驱动。同时为了降 低高低机驱动功率,高低机转轴处安装扭力平衡机。 作者简介:柴华伟(1981一),男,安徽马鞍山人,博士,主要从事伺服系统的设汁与智能控制方面的研究.E.mail:chaihuawei888@163.conr 第1期 柴华伟,等:火箭炮电液伺服系统的滑模控制研究 根据系统偏差信号的产生与传递介质不同,液压控制 系统分为机液和电液控制系统,由于机液控制系统难 以校正,机械连接件多,易受间隙、摩擦等影响,而电液 的非线性。系统的流量系数、泄漏系数等具有不确定 性,而且外部干扰如冲击力矩等也会时变。因此,系统 许多参数是不确定的。 控制的目标:当参数不确定时,通过设计一个控制 控制在功率级之前采用了电信号控制,参数调整方便、 易校正。所以227 mm火箭炮方向机控制采用电液控 制。电液控制分为阀控以及泵控两种,阀控系统主回 路控制简单,比泵控方式液压固有频率大,所以该方向 机电液伺服采用四通阀控对称液压缸,系统工作原理 器使得系统输出准确跟踪期望输出信号。 取活塞位移 为状态变量,X=[ 。 : ]T= [Y夕 。]T, =%,可以得到系统状态方程为: , 1= 2 如图1所示。 供油压力 回油压力 图1方向机电液控制系统工作原理图 227 mm火箭炮方向机的电液控制系统设计参数如下: (1)方向机带弹转动惯量为J,j=31 050 kg・in ; (2)方向机空载转动惯量为J =20 580 kg・m ; (3)摩擦力矩为M=7 000 N・m; (4)最大操瞄速度6。/s; (5)正弦跟踪稳态精度±4 mil。 不考虑系统的外部泄漏,则基于位置变量的阀控 对称缸系统的模型_3 可以用以下方程表示: A +c P』+ Vt ̄ = 一Kcp = c 两 ApP m E P B p叠p七Kxp F = u 式中:A 一液压缸的活塞面积,m 一活塞及负载折算到 活塞上的总质量,c 一液压缸总泄漏系数, 一作用 在活塞上的任意外负载力,戈 一活塞位移, 弹簧刚 度, 一液压缸两腔总面积, 一阀芯输入位移,p 一供 油压力, 一液压油弹性模量,C 一控制窗El处的流量 系数,K ,一伺服阀增益, 一伺服放大器增益, 一输 入电压,p 一负载压差, 一滑阀的流量增益, 一滑 阀的流量一压力放大系数,JD一油液密度,B 一活塞及 负载的粘性阻尼系数。 由于伺服阀阀口的流量特性,系统会表现出较强 2 := 3 (2) L 3=一a0 1一a1 2一口2 3+boU(t)一d 其中: =4卢 A 2 m ,0o=4KKcelf /m ,。l=L+ 4 。Kc 卢 /mL+K/m ,a2=4Kc J8 / +B /m ,bo= 4Kv K A /m ,d=F£/m + Fym 。 式中: ~总流量压力系数。 其中,A =4 734 mill , =4.733×10 (Ill /s)/A, Kc =3.005×10 。(1TI /s)/Pa,供油压力为12 MPa。 2滑模控制器的设计 滑模控制用来克服系统模型不精确和扰动的影响 , 考虑一类非线f生系统,该系统的状态方程描述如下: 1= 2 x 1= (3) = X,t)+b(X,t)“+d(X,t) Y X1 式中: 一状态向量X=( … ) ;“(t)一控制输入;y (t)一系统输出;d(X,t)一外部干扰;厂(X,t)一有界的 未知函数。 一般说来 X,t)是状态和时间的非线性函数,设 .厂(X,t)有一定的参考轨迹,其模型的不确定性为 (X, ) ,则: ^ .厂(X,t)=f(X,t)+Af(X,t) (4) ^ 式中:厂(X,t)_厂(X,t)的估计。 F(X,t)和D(X,t)分别是I af(X,t)I和l d(X,t)I 的上界函数,即: laf(X,t)l≤F(X,t) (5) Id( , )l≤D(X, ) (6) 假设控制增益b(X,t)有界,且满足: 0≤6 i (X,t)≤6( ,t)≤6 (X,t) (7) 控制增益b(X,t)及其边界值是时变的或者与系 统状态相关,控制增益上、下边界值的几何均值可以作 ^ 为b(X,t)的估计b(X,t): 机 电 工 程 第3l卷 b(X,t)= ̄/6 i (X,t)6一(X,t) 这样一来,边界可以表达为如下形式: ≤b(X,t)/b(X,t)≤ (8) 伺服系统加入正弦负载力矩干扰20sin62.8t以及系统 转动惯量减小50%时阶跃响应曲线如图2、图3所示, 取滑模切换函数s=ce+ 中的c:1.2, =120。 (9) 其中:卢= ̄/6 (X,t)/b i (X,t)。 变结构控制系统的控制目标是设计控制信号 H(t) ,使系统的状态跟踪预先设定的向量 (t)= [ ,x ,…, ”] ,或者使系统的输出Y(t)跟踪参考 f \1 J/ 信号Y,(t)。当系统存在模型不确定性af(X,t)、控制 增益b(X,t)的不确定性和外部干扰d(X,t)的条件 下,保证系统稳定且具有良好的跟踪性能 ]。 系统的跟踪误差为: lf 一 0 0 2 0 4 0 6 0 8 l |慷 1 2 l 4 l 6 l 8 2 e= d—x=[e,e,…,e‘一 ’] 那么切换函数为: s(x,t)=Ce=c1e+c2e+…+e‘ 一¨ (10) (11) 图2方位系统正弦干扰阶跃响应 1~常规PID控制响应曲线;2一滑模控制响应曲线 其中: C=[cl,C2,…,c 一1,1] 通过取s=0,得到: s( ,t) C1e+c2 +…+e‘ =c1e+c2 +…+ CnIe-f f _+1 ‘ + : 一 曲 = ∑cie(i)+ -f(x, )一g(x,£) ( )=0 (12) U 【J 2 0 4 0 6 0 8 1 t/s 1 2 I 4 1 6 1 8 2 则等效控制器为: 1 n一1 图3方位系统惯量变化阶跃响应 ( “ 一f(x,t))(13) 1~常规PID控制响应曲线:2一滑模控制响应曲线 为了满足滑模到达条件s・ ≤一叩l s l,其中 > 0,必须采用切换控制。切换控制器设计为: rlsgs(s) ( 4) 通过仿真结果可以看出,滑模控制器在系统承受 正弦干扰及惯量变化等作用下依然能够获得稳定的位 置输出,较好地解决了抖动问题,获得了比常规控制器 更好的性能,保证了系统的精度。 其中:71≥D。 滑模控制器为: Lt=11, 。4 结束语 +“ (15) 为了实现集束防空火箭炮交流位置伺服系统的高 精度位置控制,本研究提出了将一种滑模控制策略应 3 仿真分析 为了验证控制器设计的性能 ,本研究在Matlab 软件上分别进行了PID控制器和滑模控制器的仿真研 究,参考输入为5 rad。为了考察滑模控制对外加干扰 以及系统参数变化的鲁棒性以及和常规PID控制的控 用于火箭炮交流位置伺服系统,以抑制各种不确定因 素对受控对象的影响,增强系统的鲁棒性。仿真结果 表明,这种控制策略既可以满足伺服系统的跟随特性, 又可以有效地抑制干扰,降低系统对参数摄动的敏感 程度。采用这种方法后,伺服系统的精度较高、鲁棒性 (下转第118页) 制效果进行比较,本研究分别给出了集束火箭炮位置 本文引用格式: 柴华伟,贾智,薛亚平,等.火箭炮电液伺服系统的滑模控制研究[J].机电工程,2014,31(1):90—92,118. CHAI Hua’wei,J[A Zhi,XUE Ya—ping,et a1.Sliding mode control research of electro—hydraulic system for artillery[J].Journal of Mechanical&E1ectrical En. gineering,2014,31(1):90—92,118. 《机电工程》杂志:http://www.meem.corn.cn -l18・ 机 电 工 程 第31卷 参考文献(References): [1]姚利新,张武学,连军莉.AOI系统 PCB中的应用[J]. 电子工业专用设备,2004,33(5):25—27. [2]胡跃明,谭[3] 丁颖.自动光学检测在中国的应用现状和发展 [J].微计算机信息,2006,22(4):143—145. 宁.基于PCI总线运动控制卡及WDM驱动程序设 计[J].自动化技术与应用,2008,27(2):90—92. [4] 曹图7 基 j 图编程的运动控制系统AOI实物图 旗.基于PCI总线机器人运动控制卡的研究与设计 [J].仪器仪表用户,2007,14(6):30—31. [5] 李春木,章明众,郑新武,等.EtherCAT总线在伺服运动 控制系统中的应用[J1.机电工程,201 1,28(11):1336— 1338. 表4实际扫描参数及误差精度表 扫描条数Y轴速 ̄/ppsX轴速度/pps扫描时间/s误差精度/p 扫描第一条扫描第■条扫描第三条[6] 李志洲,郑民欣, 锦锦,等.基r EtherCAT网络的 轴 伺服控制系统设计[J].组合机床与自动化加T技术, 2012(2):63—65,71. 500 000 500 000 500 000 400 000 400 000 400000 1.5 1.5 1.5 10 8 5 [7] 卫光,郭坤.j伺服枕式包装机电子凸轮控制系统的 7 结束语 针对当前AOI采用的基于Pc机的运动控制系 统,其运动控制功能同定,不可编程,本研究提出了一 种基于陶编程,4层程序架构的PCB—AOI运动控制系 研究与应用[J].包装与食品机械,2012(6):57-59. 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