火箭炮位置伺服系统目标准确性控制.pdf

第3 3 卷第9 期计算机仿真2 叭6 年9 月 文章编号：l 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 6 ) 0 9 一O 0 0 5 0 4 火箭炮位置伺服系统目标准确性控制 贺昱曜，刘鑫 ( 西北工业大学航海学院，陕西西安7 1 0 0 7 2 ) 摘要：舰载火箭炮在发射过程中需要精确瞄准、快速响应，以达到实战中快速、精准摧毁敌方目标的能力。然而，火箭炮随动 发射装置位置伺服系统有强耦合、非线性，以及很强的不确定因素等特征，如弹炮质量发生变化造成发射状态转动惯量变 化、发射冲击力矩变化，严重影响目标准确性控制。针对传统滑模控制存在严重抖振的问题，提出一种新型的基于粒子群优 化滑模控制的方法。将粒子群优化算法和滑模控制相结合，采用粒子群优化算法优化切换函数系数和趋近律系数，加快了 系统到达滑模面的速度，改善了系统的动态性能。仿真结果表明，系统能快速精确跟踪期望的状态轨迹，消除了滑模控制固 有的高频抖振，提高了位置伺服系统的鲁棒性。 关键词：粒子群优化；滑模控制；位置伺服系统；火箭炮 中图分类号：T P 3 0 1 6文献标识码：B T h eA c c u r a c yC o n t r o lo fT a r g e tP o s i t i o nS e r V oS y s t e mo fR o c k e tL a u n c h e r H EY u y a o ，L I UX i n ( s c h o o lo fM 撕n eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，N o n hW e s t e mP o l y t e c h n i c a lU n i V e r s i t y ，x i a nS h a l l ) 【i7 1 0 0 7 2 ，C h i n a ) A B S T R A C T ：C a 而e rr o c k e tr e q u i r e sp r e c i s ea i m i n g ，f a s tr e s p o n s e ，i no r d e rt oa c h i e v et h ea b i l i t yt oc o m b a tt h er a p i d ，a c c u r a t ed e s t r o ye n e m yt a r g e t sd u r i n g1 a u n c h H o w e v e r ，r o c k e ts e r v oe m i s s i o nd e v i c ep o s i t i o ns e r v os y s t e mh a s t h ec h a r a c t e s t i c so fs n 。o n gc o u p l i n g ，n o n l i n e 撕t ya n ds t r o n gu n c e r t a i n t y ，s u c ha sp l a y i n gg u nw e i g h tr a t i oc a u s e db y e m i s s i o ns t a t ev 鲥a t i o no fm o m e n to fi n e r t i aa n dl a r g el a u n c hi m p a c tt o r q u e T m d i t i o n a ls l i d i n gm o d ec o n t m lh a sas e r i o u sp r o b l e mo fb u f k t i n g I nv i e wo ft h ed i s a d v a n t a g e s ，an e wm e t h o db a s e do np a n i c l es w a 丌no p t i m i z a t i o ni sp r o p o s e d C o m b i n e dP a n i c l es w a 兀T lo p “m i z a t i o na l g o 而“1 ma n ds l i d i n gm o d ec o n t r o l ，t h ep a r t i c l es w a mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi su s e dt oo p t i m i z et h ec o e m c i e n t so ft h es w i t c h i n gf u n c t i o na n dr e a c h i n gl a wc o e m c i e n t ，t h es y s t e mi sa c c e l e r a t e dt or e a c ht h es l i d i n gm o d es u r f a c es p e e d ，a n dt h ed y n a m i cp e 0 H n a n c eo ft h es y s t e mi si m p m v e d T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nq u i c k l ya n da c c u r a t e l yt r a c kt h ed e s i r e dt r a j e c t o r y ，a n de f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h e i n h e r e n th i g hf k q u e n c yc h a t t e r i n go ft h es l i d i n gm o d ec o n t r o l ，a n di m p r o V et h er o b u s t n e s so ft h ep o s i t i o ns e r v os y s t e m w i t hs t r o n ga n t i i n t e - e r e n c ea b i l i t y K E Y W O R D S ：P S 0 ；S 1 i d i n gm o d ec o n t r o l ；P o s i t i o ns e r v os y s t e m ；R o c k e tl a u n c h e r 1 引言 随着火箭武器的发展和其较远的射程，舰载火箭武器成 为了火力支援舰的主要装备，舰载火箭炮主要服务于登陆火 力支援、打击海面集结敌方力量、中近程防空、反鱼雷和部分 反潜、反舰等，可以迅速的发射干扰弹干扰来袭导弹，同时， 由于威力巨大，也可以直接击毁导弹，对于处于潜望深度的 潜艇、射程内的飞行目标和舰艇等，可以有效毁伤。 舰载火箭炮随动发射装置位置伺服系统存在强耦合性、 非线性、转动惯量变化大、发射冲击力矩大等特点，严重影响 火箭炮位置伺服系统目标准确性控制。因此，改善火箭炮命 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 6 1 2 7 1 1 4 3 ) 收稿日期：2 0 1 5 一l O 一2 7 修回日期：2 0 1 5 一l l 一2 9 中目标的精度，提高火箭炮交流位置伺服系统在模型参数摄 动和强外干扰等情况下的控制性能具有重要的研究意义。 滑模变结构控制在伺服系统的控制中得到了广泛的应 用J 。但是，传统的滑模控制存在显著的缺点，系统抖振现 象严重，即状态估计接触到滑模面，很难平稳地附着在滑模 面上向着平衡点移动，通常情况下，会在滑模两侧不停穿越， 产生频率较高的抖动工作状态。采用s ( x ) = 一s 胛( s ) 一k s ( 指数趋近律) ，可通过参数e 和k 的适当选取来保证到达段 的快速性和抑制高频抖动，但是要有效地抑制高频抖动，必 须取较小的s 值，而小的值将使Is l 1 ，设计系统状态进入 滑动模态的时间增长，从而削弱了滑模控制的鲁棒性。增大 k 虽可以加快趋近的速度，但在ls I 较大时会增大所需的控制 强度，引起高频抖动。而减小k 又使得趋近滑模面的时间变 一5 一 万方数据 长，因此，选择合理的切换函数和指数趋近律是影响系统性 能的重要因素。文献 1 在指数趋近律中引入系统状态量的 幂函数这一概念，并应用于P M S M 调速系统中，改善了系统 的静态特性，但在原有趋近律参数的基础上引入额外趋近律 参数，增加了系统的复杂性。文献 1 0 对指数趋近律的进 行了分析，将其改为与滑模函数有关的函数，使系统状态能 最终收敛于状态零点，消除了指数趋近律中存在的高频抖 振，但文中未考虑k 的影响，在该参数选择不适当的情况下， 仍会出现滑模函数无法收敛的情况。 针对上述文献中存在的不足，本文设计了一种基于粒子 群优化的滑模控制器，采用粒子群优化算法优化切换函数系 数和趋近律系数，优化算法简单随机，同步优化趋近律中的 系数和k ，有效解决了参数选取的矛盾，加快了系统到达滑 模面的速度，使系统在整个动态响应过程中都具有较强的鲁 棒性，实现了火箭炮位置伺服系统的稳定控制。研究表明， 文中所用方法不仅有效减小了系统的抖振现象，同时提高了 伺服系统的鲁棒性和抗干扰能力。 2 火箭炮位置伺服系统组成及数学模型 2 1 火箭炮位置伺服系统组成 舰载火箭炮武器系统随动发射装置核心传动系统由高 低俯仰和方位两个位置伺服系统组成，如图1 所示，两套轴 系的电气系统配置相同，其位置控制器集成在同一个c P u 内。由发射装置电源管理器、电机驱动器、伺服电机、减速 器、旋转变压器和电气伺服总控制器等组成，电气和伺服总 控制器接收上位机发送的位置和指令信息，读取轴系当前的 角度反馈值，由控制策略计算驱动伺服电机转动的控制量， 再通过减速器带动负载转动，完成系统的全闭环控制。 图l伺服系统组成结构图 由图l 可知，俯仰和方位伺服系统的结构相似，由驱动 器驱动交流永磁同步电机，经过减速器带动俯仰或方位机构 转动，因此在研究伺服系统的控制策略时，只需从二者中选 择一个作为研究对象，本文选择方位伺服系统作为研究对 象。 2 2 火箭炮位置伺服系统数学模型 火箭炮伺服系统采用永磁同步电机作为执行机构。永 磁同步电动机是一个非线性、多变量、强耦合的复杂系统。 为了便于分析，永磁同步电动机在两相旋转坐标系下建模 6 时，假设：定子绕组Y 形连接，绕组电流为对称的三相正弦 波电流；忽略电机涡流和磁滞损耗；定子磁场呈正弦分 布，不考虑谐波与饱和；无阻尼绕组。 永磁同步电机在d q 轴坐标系下的数学模型 d p 面2 m t = 1 5p 。 咖i 。一( ，一乙) i di ， 幽。T !BT t 百2 了- 一了一了 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 其中 i d 、i 。电机的d 轴和g 轴电流； 。转子角速度； 沙，为永磁体转子产生的磁势； 。、k 电机的d 轴与g 轴电感； r 电机输出电磁转矩； P 。电机极对数； 卜为转动惯量； L 为负载转矩； 日为粘滞摩擦系数。 位置环控制要求有平滑、快速、精确跟踪给定等特性。 为了实现位置环高性能控制，充分利用滑模控制的优点进行 位置环控制，将速度环和位置环统一设计成一个滑模控制 器，简化系统结构，并在系运行的不同阶段，P ，与滑模分段 控制。其中系统角速度输出。经过减速环节到达位置输出 目。位置控制结构图如图2 所示。 芷竺8 ”“ 卜一a r k 壹换 詈蔼 翊 图2永磁同步电机位置环滑模控制结构图 伺服系统的运动状态方程 【! ： = 【： 丰【： + 【； 丰M + 【： c 4 ， 其中z = ： = ： ，n = 一孚，。= 等，d ：弓；，u = i 何 3 粒子群优化的滑模控制 3 1 滑模变结构控制器设计 设定给定的位置为r ，定义误差向量 E ：e 1 ，其中。：，一m ；：i 一；。：；一 L