坦克水平向炮控系统设计及其非线性控制算法研究

摘要

坦克炮控系统是坦克实现快速精准打击的重要保障。随着坦克电气系统数字化的发展和交流伺服技术的进步，交流数字全电式炮控系统成为未来的发展趋势。然而，炮控系统易受到内部和外部多种非线性因素的影响，致使其控制性能难以保障。在这样的背景下，相关单位与我们合作，致力于研制出高速高精度数字化的炮控系统。
　　本文依据炮控系统性能设计要求，在综合分析现代炮控系统发展趋势的基础上，对炮控系统进行了结构设计、模型建立、非线性因素分析与建模、智能控制算法设计。主要工作如下：
　　1、本文在广泛调研坦克及炮控系统的国内外发展现状的基础上，深入分析了炮控系统的工作原理，并结合现代炮控系统发展趋势，设计了全数字炮控系统的结构。并对设计系统结构中的主要器件进行了选型。
　　2、在结构设计的基础上，建立了炮控系统各部分数学模型，进而建立完整炮控系统数学模型。分别进行了三环控制器设计。其中，针对瞄准和稳定两种工作状态的不同对速度环进行了切换控制。通过仿真，验证了设计的控制器符合设计要求。
　　3、对炮控系统齿隙非线性、摩擦非线性、参数摄动和系统未建模扰动进行了分析和建模。并利用simulink搭建起对应的仿真模型。
　　4、针对炮控系统非线性的特点，对系统采用滑模控制。分析了滑模变结构控制方法的基本原理以及发展现状及趋势。提出了分段积分滑模变结构控制的控制方法，有效增强了系统的鲁棒性和控制精度，同时实现了系统速度可控，对系统安全性提供保障。
　　5、为增强控制器抵抗系统参数和负载力矩变化的问题，设计了负载观测器和转动惯量实时辨识模块。通过simulink搭建各自仿真模型，并验证了辨识的准确性。将观测器的观测结果反馈到控制器中，通过仿真分析，系统鲁棒性和控制精度得到了增强。
　　通过对炮控系统结构设计、非线性因素分析建模、滑模变结构算法研究和实时参数观测器应用设计出了高精度、快速、稳定的符合设计要求的炮控系统，对未来炮控系统数字化、智能化、信息化的发展提供了帮助。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 炮控系统研究背景介绍

1．2 炮控系统国内外研究现状及趋势

1．2．1 炮控系统基本结构

1．2．2 炮控系统控制方法

1．2．3 炮控系统设计的发展方向

1．3 非线性滑模变结构控制理论研究概况

1．3．1 滑模变结构控制理论的研究现状与发展趋势

1．3．2 滑模变结构控制在炮控系统的应用

1．4 论文研究的目的与意义

1．5 本论文的主要工作及章节安排

第2章 坦克炮控系统结构分析与设计

2．1 炮控系统的基本结构及工作原理

2．2 现代大功率数字炮控系统结构总体设计

2．3 炮控系统主要器件选型

2．3．1 炮塔电机选型

2．3．2 数字控制器选型

2．3．3 功率模块的选型

2．3．4 通信系统选型

2．3．5 旋转变压器及数字转换器(DRC)选型

2．3．4 陀螺仪选型

2．4 本章小结

第3章 坦克炮控系统的数学模型及控制器设计

3．1 永磁同步电机数学模型

3．1．1 永磁同步电机的基本数学模型

3．1．2 坐标变换

3．1．3 旋转坐标系下PMSM数学模型

3．1．4 永磁同步电机的矢量控制

3．2 炮控系统主要部件的数学模型

3．2．1 功率放大器数学模型

3．2．2 旋转变压器数学模型

3．2．3 陀螺仪数学模型’

3．2．4 转动装置数学模型

3．3 水平向炮控系统控制器设计

3．3．1 坦克炮控系统的整体数学模型

3．3．2 电流环控制器的设计

3．3．3 速度环控制器的设计

3．4 本章小结

第4章 炮控系统非线性因素研究与建模

4．1 火炮系统非线性负载分析

4．2 齿隙非线性

4．2．1 齿隙非线性数学模型

4．2．2 齿隙非线性模型simulink建模与仿真

4．3 摩擦非线性

4．3．1 Stribrck摩擦模型

4．3．2 摩擦非线性simulink建模与仿真

4．4 参数摄动和外界未建模扰动分析

4．4．1 参数摄动

4．4．2 外部干扰

4．5 炮控系统在多种非线性因素作用下的simulink仿真

4．6 本章小结

第5章 基于观测器的分段积分滑模变结构位置跟踪炮控系统设计

5．1 滑模变结构控制基本原理

5．1．1 滑动模态的定义及数学表达

5．1．2 滑模变结构控制的基本问题

5．1．3 滑模变结构控制器的基本设计步骤和方法

5．1．4 滑模变结构控制器的抖振问题

5．2 阶段积分滑模变结构位置跟踪控制器设计

5．2．1 炮控系统阶段积分滑模变结构控制原理

5．2．2 位置积分滑模控制器设计

5．2．3 恒速段滑模控制器设计

5．2．4 分阶段滑模变结构切换控制

5．3 负载观测器设计

5．4 基于梯度法的转动惯量辨识

5．4．1 梯度校正参数估计法的基本原理和计算方法

5．4．2 基于梯度法的炮控系统转动惯量辨识

5．5 系统仿真与结果分析

5．5．1 负载转矩观测器仿真验证

5．5．2 梯度估计法转动惯量辨识仿真

5．5．3 阶段积分滑模变结构仿真

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢