基于趨近律方法的艦載遙控武器站滑?？刂蒲芯?/h1>

2018-09-02 11:08:34張曉鐸趙遠(yuǎn)征

艦船科學(xué)技術(shù)訂閱 2018年8期 收藏

關(guān)鍵詞：遙控滑模武器

張曉鐸，趙遠(yuǎn)征

(鄭州機(jī)電工程研究所，河南鄭州，450015)

0 引 言

隨著我國(guó)海外權(quán)益的日益增長(zhǎng)和周邊形勢(shì)的復(fù)雜化，我國(guó)海上武裝力量面對(duì)日益多元化的海上威脅。海軍在面對(duì)恐怖分子小型快艇的迫近襲擊時(shí)，中、大型水面艦艇上安裝的導(dǎo)彈、艦炮武器費(fèi)效比過高，不能即時(shí)經(jīng)濟(jì)的對(duì)類似小型水面目標(biāo)進(jìn)行精確打擊。面對(duì)這種特殊需求，就需要一種自動(dòng)化程度高、可艙室內(nèi)遙控操作、能抵御非傳統(tǒng)威脅、配置靈活的有效武器[1]。隨著我國(guó)海洋戰(zhàn)略的調(diào)整，對(duì)釣魚島海域、南海海域的巡航和執(zhí)法日益頻繁，從增加威懾、打擊力度層面來說，設(shè)計(jì)一型通用化、模塊化的武器平臺(tái)能夠快速提高執(zhí)法船的執(zhí)法能力。在我國(guó)西南邊防地區(qū)，自湄公河巡航以來，由于巡航區(qū)域地理?xiàng)l件復(fù)雜，安全形勢(shì)不容樂觀，對(duì)遙控武器平臺(tái)的需求也越來越迫切?；谏鲜霰尘埃瓤梢宰鳛楠?dú)立的作戰(zhàn)單元，也可以為其他精確制導(dǎo)武器提供實(shí)時(shí)作戰(zhàn)信息支持，可廣泛應(yīng)用于海防、邊防、反恐以及局部沖突，具備態(tài)勢(shì)感知和快速精確打擊的艦載遙控武器站應(yīng)運(yùn)而生。

艦載遙控武器站最早應(yīng)用于公安邊防湄公河聯(lián)合巡邏，從央視披露情況可以看出，該型武器站能夠經(jīng)受頻繁沖擊振動(dòng)和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。艦載遙控武器站當(dāng)前使用最多的是海警執(zhí)法船，2016年6月19日，央視報(bào)道海警21115艦訪問韓國(guó)，艦載遙控武器站工作畫面曝光，圖1所示為某型艦載遙控武器站。

圖1 某型艦載遙控武器站Fig. 1 A certain type of the naval remote controlled weapons station

1 艦載遙控武器站控制系統(tǒng)優(yōu)化方向

隨著艦載遙控武器站的深入應(yīng)用，特別是隨著無人化、智能化的需求指引，遙控武器站當(dāng)前急需解決一個(gè)關(guān)鍵問題：如何利用有限成本盡可能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制性能，從而滿足未來大批量的應(yīng)用需求。從當(dāng)前技術(shù)層面分析，控制系統(tǒng)可以從以下兩點(diǎn)研究：

1）無位置傳感器下轉(zhuǎn)子位置估計(jì)

艦載遙控武器站的位置傳感器檢測(cè)，目前成熟的方案是在電機(jī)軸端安裝機(jī)械位置傳感器，如增量或絕對(duì)式的數(shù)字編碼器，或者旋轉(zhuǎn)變壓器等[2]。這樣武器站的控制精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性取決于傳感器的性能，選擇的傳感器不同，其控制性能差別很大；其電機(jī)絕大多數(shù)采用安裝傳感器表貼式永磁同步電機(jī)（Surface-Mounted PMSM，SPMSM）驅(qū)動(dòng)方式，永磁電機(jī)體積較大、電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不便于實(shí)現(xiàn)電機(jī)和負(fù)載的手動(dòng)解脫，以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和遙控模式的切換；當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)將嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)性能，極易導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器報(bào)警從而停止工作。此外，1套性能優(yōu)異的傳感器裝置十分昂貴，而且方位和俯仰2軸均需要編碼器，使得系統(tǒng)成本大大增加，這影響了艦載遙控武器站低成本大批量列裝的定位。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制方案有望實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比、高可靠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]。

2）控制算法優(yōu)化，提高射擊精度

艦載遙控武器站控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，對(duì)于參數(shù)攝動(dòng)和外部負(fù)載擾動(dòng)非常敏感，傳統(tǒng)的PI控制方法因其算法簡(jiǎn)單、調(diào)速方便等優(yōu)點(diǎn)，在其控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是PI控制方法需要系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于艦載遙控武器站這樣一個(gè)具有強(qiáng)后坐力、變摩擦力和變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的非線性系統(tǒng)，在跟蹤射擊狀態(tài)下隨機(jī)擾動(dòng)難以建模表征，采用傳統(tǒng)的控制方法很難達(dá)到系統(tǒng)的要求，進(jìn)而難以獲得理想的高精度控制性能[4]。因此，有必要研究基于PMSM控制系統(tǒng)的非線性控制方法。

從工程層面來講，本文主要進(jìn)行控制算法的優(yōu)化，增強(qiáng)控制算法的魯棒性，從而提高武器站跟蹤射擊時(shí)抗干擾能力，提升武器站射擊精度。

關(guān)于控制系統(tǒng)優(yōu)化的研究很多，如模糊控制在控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究，但是實(shí)際應(yīng)用中由于模糊化、專家規(guī)則庫、去模糊化的復(fù)雜應(yīng)用，使得系統(tǒng)的控制精度受到限制；文獻(xiàn)[5]提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論，但是通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)的系統(tǒng)參數(shù)整定需要比較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間，需要使用速度很快的微處理器來提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，實(shí)際上增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的滑模變結(jié)構(gòu)控制理論是一種非線性控制理論，滑模變結(jié)構(gòu)控制以其對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型精確度要求不高，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)具有完全魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的漸進(jìn)穩(wěn)定性[6]。因此，有必要開展艦載遙控武器站控制系統(tǒng)的滑模控制研究。

2 控制器設(shè)計(jì)

2.1 矢量控制

艦載遙控武器站伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖如圖2所示。

圖2 武器站伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖Fig. 2 The schematic diagram of closed loop control of the servo system of the weapon station

根據(jù)以上公式，可以得到如下形式的狀態(tài)方程：

圖3 基于矢量控制的位置控制原理圖Fig. 3 The position control schematic diagram based on the vector control

2.2 滑?？刂破骺刂圃O(shè)計(jì)

由式（3）可得：

武器站跟蹤誤差及其導(dǎo)數(shù)為

設(shè)計(jì)滑模函數(shù)為

對(duì)滑模面S求導(dǎo)，根據(jù)式（6）和式（8）可得

為了消除系統(tǒng)抖振，采用變指數(shù)趨近律，得到

結(jié)合式（5）、式（9）和式（10）可得相應(yīng)的控制律函數(shù)為

采用變指數(shù)趨近律，在遠(yuǎn)離切換面時(shí)，在常規(guī)趨近律的基礎(chǔ)上，加入速度誤差的絕對(duì)值，可以使系統(tǒng)加速趨近滑模面，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)接近切換面時(shí)，隨著速度逐漸降低，速度誤差的絕對(duì)值漸趨于0，從而保證系統(tǒng)平滑的到達(dá)滑模面[8]。

2.3 穩(wěn)定性證明

針對(duì)上述滑?？刂破鬟x用Lyapunov函數(shù)來證明其滑模平面穩(wěn)定且存在滑動(dòng)模態(tài)。

定義Lyapunov函數(shù)為

對(duì)其求導(dǎo)，則有

3 仿真研究

艦載遙控武器站控制系統(tǒng)永磁同步電機(jī)參數(shù)（標(biāo)幺值）為：電機(jī)功率為極對(duì)數(shù)為定子電阻為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為直軸電感交軸電感磁鏈摩擦系數(shù)減速比在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建基于矢量控制的武器站伺服系統(tǒng)三環(huán)仿真模型，如圖4所示。

模型中位置指令輸入trackingline.mat模擬上層隨機(jī)指令，以驗(yàn)證遙控武器站伺服系統(tǒng)能夠即時(shí)響應(yīng)跟蹤指令。速度環(huán)SMCC控制器是本文搭建的變指數(shù)趨近律滑?？刂破鳎琍I控制器為常規(guī)PI控制器，SMCR控制器是根據(jù)指數(shù)趨近律搭建的控制器[9]。

圖4 艦載遙控武器站位置控制仿真模型Fig. 4 The position control simulation model of the naval remote controlled weapons station

本文對(duì)常規(guī)PI速度控制器和變指數(shù)滑模速度控制器SMCC進(jìn)行了仿真對(duì)比，仿真條件為轉(zhuǎn)速參考值設(shè)定為500 r/min，在t=0.5 s突加50 N·m負(fù)載。仿真結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 SMCC控制器轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線對(duì)比Fig. 5 The comparison of speed response curve of the SMCC controller

圖6 SMCC控制器轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線對(duì)比Fig. 6 The comparison of torque response curve of the SMCC controller

圖7 SMCC控制器下三相電流響應(yīng)曲線Fig. 7 Three phase current response curves under the SMCC controller

圖8 常規(guī)PI控制器下三相電流響應(yīng)曲線Fig. 8 Three phase current response curves under the conventional PI controller

圖5轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線中武器站控制系統(tǒng)在速度環(huán)采用常規(guī)PI控制器時(shí)，啟動(dòng)階段轉(zhuǎn)速超調(diào)較大，轉(zhuǎn)速最高到602 r/min，穩(wěn)定時(shí)間為0.2 s。突加負(fù)載后，轉(zhuǎn)速下降64 r/min，在0.66 s系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。采用SMCC滑?？刂破鲿r(shí)，啟動(dòng)階段控制系統(tǒng)基本無超調(diào)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間僅為0.15 s。0.5 s突加負(fù)載后，系統(tǒng)超調(diào)明顯減少，轉(zhuǎn)速僅下降12 r/min，穩(wěn)定時(shí)間由0.16 s縮短為0.09 s。

圖6轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線可以明顯看出，采用SMCC控制器時(shí)，系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)矩基本無超調(diào)，且響應(yīng)速度明顯比采用常規(guī)PI控制器時(shí)快。

圖7和圖8中三相電流曲線比較可以看出，采用常規(guī)PI控制器時(shí)電流脈動(dòng)較大，采用SMCC控制器時(shí)電流波形平滑，基本符合正弦曲線。

通過分析圖5～圖8，說明所設(shè)計(jì)的變指數(shù)趨近律滑模控制器響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，魯棒性好。

上述模型基于采樣周期和數(shù)據(jù)量限制，仿真時(shí)間有限，因此搭建基于遙控武器站數(shù)學(xué)模型的仿真系統(tǒng)，對(duì)SMCC速度控制器和常規(guī)PI速度控制器下的位置跟蹤情況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 SMCC控制器下模擬跟蹤曲線Fig. 9 Analog tracking curve under the SMCC controller

圖10 SMCC和普通PI控制跟蹤誤差比較曲線Fig. 10 The comparison curves of tracking error between the SMCC and the conventional PI control

從圖9可以看出，采用SMCC控制器和常規(guī)PI控制器系統(tǒng)均能跟隨模擬指令運(yùn)動(dòng)，但采用常規(guī)PI控制器相比SMCC控制器跟隨時(shí)間相對(duì)滯后。從圖10中可以看出，在伺服系統(tǒng)啟動(dòng)和換向階段，采用普通PI控制的跟蹤誤差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SMCC控制下誤差，前者的均方根植最大超過1.2°，而后者最大不超過0.5°。

通過以上仿真對(duì)比，可以看出，在矢量控制條件下，采用SMCC速度控制器的武器站控制系統(tǒng)具有更好的跟隨性能和更強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。

4 結(jié) 語

針對(duì)艦載遙控武器站跟蹤射擊精度需求逐步提升的現(xiàn)狀，在滑模變結(jié)構(gòu)控制的基礎(chǔ)上，兼顧減小滑模抖振，實(shí)現(xiàn)武器站控制系統(tǒng)的高精度控制，本文采用變指數(shù)趨近律，設(shè)計(jì)了變指數(shù)滑?？刂破?，與常規(guī)PI控制器進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果表明采用所設(shè)計(jì)的控制器遙控武器站能夠很好的跟隨目標(biāo)指令，且系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，魯棒性好。本文設(shè)計(jì)的控制算法對(duì)艦載遙控武器站算法優(yōu)化具有工程指導(dǎo)意義。

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