某集束火箭炮位置伺服系统自抗扰方法研究

摘要

随着现代军事科学技术的发展，对火箭炮武器系统的跟踪精度提出了更高的要求。火箭炮在跟踪发射时，系统的质心位置、刚度、阻尼和转动惯量均发生很大变化，系统参数具有不确定性，且在发射状态时受连续燃气流冲击导致发射平台产生振动，使得后续射弹在此发射环境下命中精度降低。除此之外，火箭炮系统在跟踪目标时两轴回转机构存在非线性耦合关系。如何克服这些扰动及不确定性对系统的影响，提高火箭炮伺服系统的跟踪精度和抗干扰能力，是需要研究的问题。本文结合某新型集束火箭炮的研制工作，针对这些问题，通过线性扩张状态观测器(LESO)结合线性误差反馈律、非线性误差反馈律、自适应鲁棒控制，设计了几种基于自抗扰的控制器，对火箭炮伺服系统进行控制研究和理论分析。由于自抗扰控制把数学模型之外的所有不确定因素归结为未知扰动，并对其进行估计给予系统补偿，因此非常适合应用于具有大量不确定性且难以精确建模的火箭炮伺服系统。本文在以下几个方面展开了研究工作:
　　1.分析了集束火箭炮位置伺服系统的结构特点和工作原理，分别建立了驱动器配置在速度环的方位和俯仰伺服系统模型，通过频域分析建立了伺服系统近似模型的扩张状态空间表达式，并将系统发射时的燃气流冲击、系统摩擦、负载变化等扰动归于扩张状态。针对传统火箭炮伺服系统建模过程中忽略了两轴耦合因素的不足，通过两轴坐标变换和动力学方程推导出两轴负载转矩方程，从而得到两轴耦合关系。建立了基于驱动器速度闭环的两轴耦合系统数学模型，并将耦合力矩视为扰动项，同时将耦合力矩结合系统运动方程建立了驱动器在转矩模式下的耦合系统微分方程。
　　2.针对火箭炮位置伺服系统的不确定性，分别设计了俯仰系统和方位系统基于线性扩张状态观测器的自抗扰控制器。证明了所设计的扩张状态观测器的收敛性并给出了伺服系统稳定的条件。在伺服跟踪和静态定位两种工况下进行仿真，并和传统比例积分微分(PID)控制进行比较。仿真结果表明伺服跟踪和燃气流冲击下自抗扰控制的性能优于PID控制。
　　3.对驱动器在转矩模式下的火箭炮耦合伺服系统设计了线性扩张状态观测器，估计出作用于系统的加速度的实时作用量，并在非线性状态误差反馈律中补偿该估计值，由此设计了两轴虚拟控制量。通过矩阵变换得到实际控制量，并作为两轴驱动器输入电压控制量对耦合系统实现解耦控制。对驱动器配置在速度环的耦合系统设计了线性自抗扰控制器，通过调节线性扩张状态观测器带宽和控制器带宽提高系统跟踪精度，简化了误差反馈律中输入信号的两阶微分项，提高了控制器的性能。证明了火箭炮非线性时变耦合系统的闭环稳定性。仿真结果表明观测器带宽不变时耦合系统跟踪误差随控制器带宽的增大而减小，火箭炮双输入双输出系统在伺服跟踪和阶跃响应下均满足系统性能指标。所设计的自抗扰控制器提高了火箭炮伺服系统跟踪状态和连续燃气流冲击下的控制精度，抑制了耦合力矩对系统的影响，使系统具有较强的鲁棒性。
　　4.通过线性扩张状态观测器估计出扩张状态的实时作用量，由该估计值对系统进行扰动补偿，并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，分析了该控制器的性能。为了避免高增益反馈导致系统动态特性变差，将扩张状态观测器对未知扰动的估计值代替自适应鲁棒控制器中的高增益反馈，以补偿系统扰动，设计了基于线性扩张状态观测器的自适应鲁棒控制器，并分析了该控制器的性能。
　　5.分析了实验系统的结构特点和基本组成，完成了以DSP F2812为核心的系统位置控制器硬件电路和软件编程设计。以火箭炮发射装置样机和伺服系统实验平台为基础，通过实验对理论进行验证。实验结果验证了自抗扰控制律在系统中的可行性，为火箭炮伺服系统性能的提高提供了参考依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状与发展趋势

1．2．1 火箭炮伺服系统的发展

1．2．2 永磁交流伺服系统研究现状

1．2．3 自抗扰控制技术综述

1．3 论文的主要研究内容

1．4 章节安排

1．5 本章小结

2 火箭炮位置伺服系统建模

2．1 引言

2．2 驱动器配置在速度环的伺服系统数学模型

2．3 火箭炮方位与俯仰两轴系统动力学模型

2．3．1 两轴系统的运动学关系

2．3．2 两轴系统的转动惯量

2．3．3 两轴系统负载转矩方程

2．3．4 两轴系统运动方程

2．4 火箭炮两轴耦合伺服系统数学模型

2．4．1 驱动器在转矩模式下的耦合系统数学模型

2．4．2 驱动器配置在速度环的耦合系统数学模型

2．5 位置伺服系统负载扰动

2．5．1 摩擦力矩干扰

2．5．2 不平衡力矩和惯性力矩扰动

2．5．3 燃气流冲击干扰

2．6 本章小结

3 火箭炮位置伺服系统自抗扰控制

3．1 引言

3．2 自抗扰控制理论

3．2．1 抗扰范式

3．2．2 跟踪微分器

3．2．3 扩张状态观测器

3．2．4 自抗扰控制器组成

3．3 位置控制器设计

3．3．1 线性扩张状态观测器设计

3．3．2 自抗扰控制器设计

3．3．3 系统稳定性分析

3．4 伺服系统仿真分析

3．4．1 伺服跟踪仿真

3．4．2 燃气流冲击仿真

3．5 本章小结

4 火箭炮两轴耦合伺服系统自抗扰控制

4．1 引言

4．2 多变量系统的自抗扰控制

4．3 驱动器在转矩模式下的耦合系统自抗扰控制

4．3．1 多变量系统的解耦控制

4．3．2 自抗扰控制器设计

4．3．3 系统仿真

4．4 驱动器配置在速度环的耦合系统自抗扰控制

4．4．1 线性自抗扰控制器设计

4．4．2 线性自抗扰控制稳定性分析

4．4．3 耦合系统仿真分析

4．5 本章小结

5 火箭炮两轴耦合自适应鲁棒与扰动补偿融合控制

5．1 引言

5．2 基于扰动补偿的耦合系统自适应鲁棒控制

5．2．1 基于扰动补偿的自适应鲁棒控制器设计

5．2．2 控制器性能分析

5．2．3 仿真分析

5．3 基于LESO的耦合系统自适应鲁棒控制

5．3．1 基于LESO的自适应鲁棒控制器设计

5．3．2 控制器性能分析

5．3．3 仿真分析

5．4 本章小结

6 火箭炮位置伺服系统实验研究

6．1 引言

6．2 火箭炮位置伺服系统实验平台组成

6．3 位置控制器设计

6．3．1 硬件电路组成

6．3．2 控制器软件设计

6．4 系统实验

6．4．1 阶跃响应实验

6．4．2 正弦信号跟踪实验

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 本文创新点

7．3 工作展望

致谢

参考文献

附录