半自動輸彈機電機控制系統(tǒng)設(shè)計

陸 明，薄玉成，王惠源，張鵬軍，郭立峰，趙良偉

（1.中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051；2.山西北方制造機械有限責任公司，山西 太原 030009）

1 問題的提出與分析

火炮炮彈在半自動輸彈［1］時，由于輸彈行程比較短，因此工作時間極短。當火炮需要打70°高角時，在炮彈與推彈臂分離時刻需要保證彈丸的初速度為5 m/s，在啟動電機到炮彈與推彈臂分離時僅僅為140 ms左右［2，3］。采用普通PID對交流伺服電機進行控制很難實現(xiàn)，所以對輸彈機的輸出電機進行前饋補償PID控制顯得尤為重要，本文對其工作原理和輸彈過程進行分析。

1.1 臂式輸彈機工作原理

目前半自動輸彈機的工作方式主要有兩種：強制輸彈與慣性輸彈。本文中分析的半自動輸彈機采用的是強制輸彈與慣性輸彈相結(jié)合的工作方式。

臂式輸彈機的工作過程如圖1所示：彈丸通過伺服電機驅(qū)動行星輪系，從而驅(qū)動擺臂推著彈丸運動，從圖1（a）推彈起始位置，到圖1（b）強制推彈結(jié)束位置，這一階段為強制輸彈過程；彈丸從圖1（b）強制推彈結(jié)束位置到彈丸卡膛（慣性推彈結(jié)束）為慣性推彈過程，彈丸依靠自身的動能向前運動，直到卡膛為止。

1.2 臂式輸彈機電機多環(huán)復合控制系統(tǒng)分析

伺服控制技術(shù)實質(zhì)上是圍繞以改善伺服驅(qū)動裝置的靜、動態(tài)特性來展開的［4］。控制系統(tǒng)分為三環(huán)控制，從外到內(nèi)分別為位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)，該結(jié)構(gòu)有一個嚴重的缺點，就是隨著控制環(huán)數(shù)的增加，對于輸入?yún)⒖夹盘柕捻憫仓饾u變慢。為克服控制系統(tǒng)響應緩慢的缺點，本文采用對內(nèi)環(huán)引入前饋控制信號的方法來給予控制系統(tǒng)補償，如圖2所示。其中，θref為參考輸入角度，ωref為參考輸入角速度，Iref為參考輸入電流，ω為速度傳感器反饋速度信號，ω·為速度調(diào)節(jié)信號，ia為反饋電流信號。

圖1 臂式輸彈機工作過程

圖2 采用補償方法的輸彈機多環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

2 模型仿真

運用前饋補償PID控制算法，通過基于跟蹤誤差指標的最優(yōu)控制理論［5］，在裝填角度為50°下建立輸彈機推彈速度仿真控制模型，如圖3所示。通過對模型進行速度仿真，得到速度仿真結(jié)果，如圖4所示。

從圖4中可以看出：在0.068s時，角速度ω達到峰值4 652r/min，穩(wěn)定角速度在4 236r/min左右，最大超調(diào)量為416r/min，由于系統(tǒng)的工作時間小于0.2s，因此在如此短的時間內(nèi)系統(tǒng)是無法達到最終的理想穩(wěn)定效果。為保證系統(tǒng)的近似穩(wěn)定，應使超調(diào)量近可能小，而振蕩周期盡可能大，這樣才能使速度曲線趨于平緩。

3 試驗過程分析

3.1 初次試驗問題分析

初次試驗結(jié)果見圖5。由圖5可知，在推彈過程電機加速行程上，約在電機啟動后50ms左右速度曲線有明顯波動，這應該是由外界擾動引起的。通過激光位移傳感器測得輸彈機在推彈過程中垂直方向的位移波動數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖3 裝填角度為50°推彈速度仿真器

圖4 速度仿真結(jié)果圖

圖5 初次試驗速度曲線

這種垂直方向的波動原因是：由于系統(tǒng)為一個柔性推彈機構(gòu)，啟動時瞬間巨大的啟動力矩導致架體產(chǎn)生縱向垂直波動。由于該波動無法避免，因此需要重新修改PID參數(shù)，主要是控制積分環(huán)節(jié)的Ti參數(shù)，以降低Ti參數(shù)來增強其抗干擾能力。

3.2 修改后試驗結(jié)果分析

重新調(diào)整電機PID參數(shù)，在推彈機仿真器Simulink模型的積分環(huán)中，控制積分環(huán)節(jié)Ti小于0.004 3，將新參數(shù)應用到伺服電機上，得到成功推彈入膛的數(shù)據(jù)，如圖7所示。與初次失敗的速度曲線相比，伺服控制系統(tǒng)啟動更加平穩(wěn)，從而提高了卡彈精度和卡彈一致性，進而提高了射擊精度。

4 結(jié)論

本文運用MATLAB/Simulink軟件對輸彈機電機控制系統(tǒng)進行仿真，得到仿真曲線。采用激光位移傳感器測試推彈系統(tǒng)的振動特性，對比試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)外界垂直位移擾動對電機平穩(wěn)性影響很大。運用基于跟蹤誤差指標的最優(yōu)控制理論，重新調(diào)整PID參數(shù)，降低了外界擾動對輸彈機電機系統(tǒng)的擾動，得到了較好的電機速度特性，成功地推彈入膛，并且結(jié)果一致性較好，具有很好的實踐意義。

圖6 垂直位移s波動曲線

圖7 調(diào)整PID參數(shù)后的速度試驗曲線

［1］梁輝，馬春茂，潘江峰，等.大口徑火炮彈藥自動裝填系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀和趨勢［J］.火炮發(fā)射與控制學報，2010（3）：103-107.

［2］曲振森，薄玉成，王惠源，等.臂式輸彈機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真分析［J］.火炮發(fā)射與控制學報，2012，3：64-67.

［3］曲振森，薄玉成，王惠源，等.臂式輸彈機構(gòu)特性研究［J］.中北大學學報，2012（3）：117-120.

［4］劉勝，彭俠夫，葉瑰昀.現(xiàn)代伺服系統(tǒng)設(shè)計［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2001.

［5］薛定宇.控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計－MATLAB語言與應用［M］.第2版.北京：清華大學出版社，2006.