某大口径火炮弹药自动装填控制系统关键问题研究

摘要

弹药自动装填系统是现代大口径火炮的主要组成部件，与火炮其它子系统相互联系并相互制约，已成为制约大口径火炮弹药发射速度的主要因素之一。与世界上先进的大口径火炮弹药自动装填系统相比，我国大口径火炮弹药自动装填系统的自动化程度较低，装填速度较慢，可靠性还有待于进一步提高。大口径火炮弹药自动装填系统是一个复杂的多学科耦合系统，集机械、电气、液压、计算机和自动控制等技术于一体，许多技术问题亟需解决。
　　本文以“十二五”研究课题为背景，结合多体系统动力学、滑模控制、模糊数学、自适应控制、控制系统可靠性等理论，研究了某大口径火炮弹药自动装填控制系统的若干关键问题，包括复杂环境下链式回转弹仓和协调器的高精度位置控制器的设计理论和设计方法，以及控制系统的可靠性设计方法，为实际工程问题的解决提供了一定的理论和技术支撑。目前，该弹药自动装填系统的试验台架已经装调完成，实验室环境下的最大装填速度为11发/分钟。本论文的主要研究内容包括:
　　(1)详细介绍了某大口径火炮弹药自动装填系统的基本构成和工作流程，设计并构建了基于CANopen总线的分布式实时控制系统，确定了永磁同步电机伺服系统和液压伺服系统的控制策略;结合系统集成与联试联调过程中出现的问题，总结和阐述了大口径火炮弹药自动装填控制系统的若干关键问题;通过合理地简化，得到了链式回转弹仓和协调器的动力学方程。
　　(2)构建了链式回转弹仓的实验平台，并在此基础上对其高精度位置控制技术进行了深入研究。结合自适应控制理论，给出了链式回转弹仓的自适应滑模控制器的设计方法，采用自适应算法调整切换增益，削弱了抖振，获得了较好的控制效果。设计了链式回转弹仓的模糊滑模控制器，不需要精确知道链式回转弹仓的数学模型，大大减轻了控制器设计的难度。引入了Translation-width思想，在保证滑模条件的前提下，避免了常规滑模控制中不连续控制项的使用，有效地消除了抖振现象。研究了扰动观测器技术在链式回转弹仓控制系统中的应用，通过等效扰动的前馈补偿，减小了其对控制性能的影响。在链式回转弹仓的自适应鲁棒控制器的设计过程中，考虑了非线性摩擦因素的影响，通过自适应补偿技术削弱了其影响，获得了较好的控制效果。
　　(3)建立了基于Matlab/Simulink软件和AMESim软件的协调器控制系统联合仿真平台。在协调器的高精度位置控制器的设计过程中，采用自适应算法估计系统的未知参数，减小了模型不确定性对控制性能的影响;根据系统状态在线调整切换增益，削弱了抖振。结合模糊万能逼近理论，设计了协调器的模糊滑模控制器，不需要精确知道协调器的数学模型，不仅简化了控制器的设计，而且改善了抑制系统参数变化的能力，提高了系统的鲁棒性。为了提高协调器的稳态定位精度，在控制器的设计过程中考虑了伺服阀的输入死区非线性特性的影响，引入了光滑的死区逆模型，通过自适应补偿技术改善了系统的控制性能。
　　(4)建立了弹药自动装填系统的可靠性模型，给出了弹药自动装填控制系统的可靠性设计方法。以弹丸转送机械手为例，阐述了故障树分析法在弹药自动装填控制系统中的应用;总结了弹丸转送机械手在可靠性方面的薄弱环节，并给出了相应的处理措施。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 研究现状及发展趋势

1．2．1 大口径火炮弹药自动装填系统

1．2．2 滑模控制理论

1．2．3 模糊控制理论

1．2．4 控制系统可靠性

1．3 本文研究的主要内容及组织结构

2 某大口径火炮弹药自动装填控制系统总体分析

2．1 引言

2．2 基本构成

2．3 工作流程

2．4 控制系统的构建

2．5 关键问题分析

2．5．1 链式回转弹仓的高精度位置控制

2．5．2 协调器的高精度位置控制

2．5．3 弹药自动装填控制系统的可靠性

2．6 关键部件的动力学分析

2．6．1 链式回转弹仓的动力学分析

2．6．2 协调器的动力学分析

2．7 本章小结

3 链式回转弹仓的高精度位置控制策略研究

3．1 引言

3．2 实验平台的构建

3．3 链式回转弹仓的自适应滑模控制

3．3．1 自应滑模控制器的设计

3．3．2 稳定性分析

3．3．3 实验验证

3．4 链式回转弹仓的模糊滑模控制

3．4．1 模糊滑模控制器的设计

3．4．2 稳定性分析

3．4．3 实验验证

3．5 链式回转弹仓的自适应模糊滑模控制

3．5．1 自适应模糊滑模控制器的设计

3．5．2 稳定性分析

3．5．3 实验验证

3．6 基于扰动观测器的模糊滑模控制在链式回转弹仓中的应用

3．6．1 基于扰动观测器的模糊滑模控制器的设计

3．6．2 稳定性分析

3．6．3 实验验证

3．7 链式回转弹仓的自适应鲁棒控制

3．7．1 自适应鲁棒控制器的设计

3．7．2 稳定性分析

3．7．3 实验验证

3．8 本章小结

4 协调器的高精度位置控制策略研究

4．1 引言

4．2 仿真实验平台的构建

4．3 微分信号的提取

4．4 协调器的自适应滑模控制

4．4．1 自适应滑模控制器的设计

4．4．2 仿真分析

4．5 协调器的模糊滑模控制

4．5．1 模糊滑模控制器的设计

4．5．2 稳定性分析

4．5．3 仿真分析

4．6 考虑输入死区时协调器的位置控制

4．6．1 输入死区模型及应用模型推导

4．6．2 控制器的设计

4．6．3 仿真分析

4．7 本章小结

5 弹药自动装填控制系统的可靠性研究

5．1 引言

5．2 可靠性的基本概念和研究内容

5．3 弹药自动装填控制系统的可靠性设计

5．3．1 可靠性建模

5．3．2 可靠性分配

5．3．3 可靠性设计方法

5．4 弹药自动装填控制系统的故障树分析

5．5 本章小结

6 全文工作总结及展望

6．1 论文的主要工作以及研究成果

6．2 论文的创新点

6．3 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文

攻读博士期间参加的科研情况