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    電液驅(qū)動(dòng)水下發(fā)射筒開關(guān)蓋裝置高精度跟蹤控制方法

    2023-01-31 10:07:08吳友生
    液壓與氣動(dòng) 2023年1期
    關(guān)鍵詞:發(fā)射筒高增益電液

    吳友生,程 棟,劉 東

    (1.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所,河南 鄭州 450015;2.河南省水下智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450015)

    引言

    潛艇作為公認(rèn)的戰(zhàn)略性武器,是我國海軍現(xiàn)階段主要作戰(zhàn)力量之一和保持水下能力優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。得益于良好的隱蔽性、較長的續(xù)航和高機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn),潛艇自第一次世界大戰(zhàn)之后受到各國重視[1]。二次核反擊是國家重要的防御手段,海基戰(zhàn)略核力量作為重要組成之一,戰(zhàn)略核潛艇憑借其獨(dú)一無二的隱秘機(jī)動(dòng)性成為核反擊突擊任務(wù)不可或缺的執(zhí)行者。水下導(dǎo)彈發(fā)射筒開關(guān)蓋裝置在保證潛射導(dǎo)彈順利發(fā)射中扮演著重要角色,但鑒于筒蓋開關(guān)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整體質(zhì)量大、作業(yè)環(huán)境多變且惡劣,其安全穩(wěn)定工作成為影響發(fā)射系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。由于導(dǎo)彈發(fā)射窗口期短,且需等待發(fā)射井蓋完全開啟到位,因此導(dǎo)彈發(fā)射的成敗極大取決于筒蓋能否在設(shè)置時(shí)間內(nèi)迅速且平穩(wěn)打開[2];導(dǎo)彈發(fā)射完畢后,潛艇為躲避衛(wèi)星偵察,筒蓋能否及時(shí)關(guān)閉決定了潛艇的安全[3]。

    水下導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)大部分采用液壓驅(qū)動(dòng),液壓缸控制筒蓋進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作,但處于潛航狀態(tài)的潛艇易受水流擾動(dòng),筒蓋工作環(huán)境具有負(fù)載不確定性、強(qiáng)干擾性以及運(yùn)動(dòng)非線性[4],加之開關(guān)過程中開蓋角度大于90°時(shí)的超越負(fù)載現(xiàn)象,對(duì)開關(guān)蓋動(dòng)作的高精度控制提出挑戰(zhàn)[5]。在發(fā)射筒開關(guān)蓋運(yùn)動(dòng)控制的研究方面,有學(xué)者對(duì)筒蓋動(dòng)力學(xué)模型和調(diào)速閥電液系統(tǒng)進(jìn)行深入研究,通過自適應(yīng)滑??刂破魈岣甙l(fā)射筒開關(guān)蓋的環(huán)境適應(yīng)性,提高了位置跟蹤精度[6-7];還有學(xué)者探討筒蓋傳感器故障工況,設(shè)計(jì)PI觀測(cè)器以實(shí)施估計(jì)筒蓋系統(tǒng)傳感器故障,極大改善了控制性能,提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)性和可靠性[8]。以上研究主要基于調(diào)速閥控制的發(fā)射筒開關(guān)蓋裝置,并未對(duì)伺服閥在此領(lǐng)域的應(yīng)用有所探討。

    相較于當(dāng)前廣泛采用的通過電磁換向閥和調(diào)速閥回油調(diào)速進(jìn)行速度控制的方法,采用伺服閥直接控制不僅可以簡化油路、提高系統(tǒng)可靠性[9],由伺服閥驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)兼并響應(yīng)快、精度高、平穩(wěn)性好的特點(diǎn)[10],能更好的進(jìn)行水下發(fā)射筒開關(guān)蓋控制。

    近年來,為補(bǔ)償電液伺服系統(tǒng)的不確定性以提高系統(tǒng)控制精度,國內(nèi)外大量學(xué)者致力于伺服閥的應(yīng)用和電液伺服系統(tǒng)非線性控制的研究。鄭文明等[11]分析伺服閥零位性能,說明了伺服閥性能下降的主要原因,并提出伺服閥科學(xué)使用方法。隨著BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的提出,電液伺服系統(tǒng)模型的位置辨識(shí)可以更加精準(zhǔn)[12]。為抑制非線性系統(tǒng)的抖振,有研究團(tuán)隊(duì)使用滑模自適應(yīng)控制方法,最終實(shí)現(xiàn)了在電液伺服系統(tǒng)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定和精確跟蹤[13]。學(xué)者們還發(fā)現(xiàn)了對(duì)電液系統(tǒng)的位置反饋進(jìn)行補(bǔ)償?shù)挠行Х椒?,即通過干擾觀測(cè)器,消除模型不匹配性,極大提高了位置控制精度[14]。

    本研究針對(duì)發(fā)射筒蓋開啟關(guān)閉過程中的不確定性干擾問題以及開合動(dòng)作的速度精準(zhǔn)控制問題,提出了一種采用高增益觀測(cè)器的滑模控制器,抑制系統(tǒng)非線性對(duì)控制效果的影響,并且采用伺服閥替換傳統(tǒng)換向閥和節(jié)流閥回油調(diào)速控制,以提高水下發(fā)射筒開關(guān)蓋裝置控制的動(dòng)作平穩(wěn)性和時(shí)間精準(zhǔn)性。

    1 開關(guān)蓋裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

    發(fā)射筒開關(guān)蓋裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包含發(fā)射筒及筒蓋、開關(guān)蓋液壓缸、轉(zhuǎn)軸和傳動(dòng)裝置等,開關(guān)蓋執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖1所示。

    圖1 發(fā)射筒開關(guān)蓋執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Actuator structure of launching shaft switch cover

    調(diào)速閥控開關(guān)蓋裝置液壓原理圖如圖2所示,液壓缸動(dòng)作時(shí),通過電磁換向閥控制活塞桿運(yùn)動(dòng)方向,通過調(diào)速閥進(jìn)行回油調(diào)速控制開關(guān)蓋運(yùn)動(dòng)速度。

    圖2 開關(guān)蓋液壓缸回油調(diào)速回路原理圖Fig.2 Circuit diagram of speed regulator valve

    伺服閥控開關(guān)蓋裝置液壓原理圖如圖3所示,采用高精度電液伺服閥對(duì)液壓缸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)液壓缸的速度和位置閉環(huán)控制。電液伺服閥具有線性度好、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn),更適應(yīng)魯棒自適應(yīng)控制等非線性控制方法。

    2 開關(guān)蓋液壓執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

    2.1 調(diào)速閥控開關(guān)蓋裝置數(shù)學(xué)模型

    調(diào)速閥控開關(guān)蓋裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型如圖4所示,為簡化方程,假定調(diào)速閥最小開口為0;系統(tǒng)采用恒壓源供油,pS保持恒定;回油無背壓即p0=0。

    圖3 伺服閥控開關(guān)蓋液壓缸回路原理圖Fig.3 Circuit diagram of sevor valve

    圖4 調(diào)速閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型Fig.4 Model of governing valve actuator

    忽略液壓油的可壓縮性,建立調(diào)速閥流量連續(xù)性方程,當(dāng)閥芯動(dòng)作時(shí),調(diào)速閥流量QL和閥芯位移xv的關(guān)系可表示為:

    (1)

    式中,Cd—— 調(diào)速閥流量系數(shù)

    ω—— 調(diào)速閥閥芯周長

    xv—— 節(jié)流閥芯位移

    kR—— 調(diào)速閥減壓彈簧剛度

    xC—— 節(jié)流口開口為0時(shí)彈簧壓縮量

    ρ—— 液壓油密度

    AR—— 減壓閥芯最大橫截面積

    2.2 伺服閥控開關(guān)蓋裝置數(shù)學(xué)模型

    伺服閥控開關(guān)蓋裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型如圖5所示,為簡化方程,假定伺服閥最小開口為0,系統(tǒng)為恒壓源且無背壓。

    圖5 伺服閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型Fig.5 Model of servo valve actuator

    建立電液伺服閥流量連續(xù)性方程,當(dāng)閥芯動(dòng)作時(shí),液壓缸左右腔流量Q1,Q2和閥芯位移xv的關(guān)系可表示為:

    (2)

    (3)

    式中,Cd—— 伺服閥流量系數(shù)

    w—— 伺服閥閥口面積梯度

    xv—— 伺服閥閥芯位移

    ρ—— 液壓油密度

    p1,p2—— 進(jìn)油腔和回油腔的壓力

    (4)

    (5)

    2.3 開關(guān)蓋液壓缸數(shù)學(xué)模型

    為提高控制性能,開關(guān)蓋裝置采用雙出桿液壓缸為執(zhí)行件,液壓缸左右腔中的油液流量方程可表示為:

    (6)

    式中,Ap—— 開關(guān)蓋液壓缸有效工作面積

    xp—— 開關(guān)蓋液壓缸位移

    Cip—— 缸體內(nèi)泄漏系數(shù)

    Cep—— 缸體外泄漏系數(shù)

    βe—— 液壓油有效體積彈性模量

    V1,V2—— 開關(guān)蓋液壓缸A,B腔容積

    設(shè)負(fù)載壓降為pL=p1-p2,則液壓缸流量連續(xù)方程可寫為:

    (7)

    建立開關(guān)蓋液壓缸受力平衡方程,為簡化方程,將液壓缸缸體與活塞間的摩擦系數(shù)視為0且忽略液壓油質(zhì)量。結(jié)合慣性定律,液壓缸力平衡方程可表示為:

    (8)

    式中,m—— 開關(guān)蓋液壓缸活塞桿及其連接件總重量

    Bp—— 液壓缸黏性阻尼系數(shù)

    FG—— 發(fā)射筒蓋及其附加結(jié)構(gòu)重力

    FN—— 外界干擾作用于發(fā)射筒該上的力

    選取系統(tǒng)狀態(tài)量矩陣為:

    (9)

    其中:θ1=Bp/m,θ2=Ap/m,T=(FG+FN)/m,θ3=4βeAp/Vt,θ4=4βeCtp,θ5=4βe/V,u=QL。

    3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    如圖6所示是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,由開關(guān)蓋動(dòng)作控制器生成控制曲線,利用高增益觀測(cè)器減小非線性模型誤差提高系統(tǒng)魯棒性,從而抑制開關(guān)蓋動(dòng)作過程的擾動(dòng)和抖振,以提高液壓缸位置和速度的跟蹤精度。

    3.1 高增益觀測(cè)器設(shè)計(jì)

    (10)

    其中,α1和α2為正實(shí)數(shù),ε?1。

    圖6 系統(tǒng)控制方案Fig.6 Structure of control system

    (11)

    (12)

    3.2 滑??刂破髟O(shè)計(jì)

    針對(duì)模型式(9),設(shè)計(jì)滑模函數(shù)為:

    (13)

    其中,c1>0,c2>0,e=x1-xd。

    令:

    β2=c2θ2-θ1θ2-θ2θ4

    β3=c2-θ1

    取控制率為:

    β1β4x2+c1β2x1x3+β2β3x2x3-β2β4x3-

    [θ2θ5(β4-c1x2+β2x2+θ2x3)]

    (14)

    由于:

    (15)

    由Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)可得,設(shè)計(jì)的滑??刂破鳚u近穩(wěn)定。

    4 試驗(yàn)驗(yàn)證

    4.1 試驗(yàn)臺(tái)

    開關(guān)蓋模擬水下試驗(yàn)裝置如圖7所示,主要由開關(guān)蓋液壓缸、導(dǎo)彈發(fā)射筒及其筒蓋、水下潛射環(huán)境模擬裝置、液壓泵站和控制系統(tǒng)組成。液壓泵站充當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力源;開關(guān)蓋液壓缸為整個(gè)試驗(yàn)裝置主要?jiǎng)幼餮b置,安裝于發(fā)射井筒壁,另一端與筒蓋開關(guān)機(jī)構(gòu)相連,實(shí)現(xiàn)筒蓋的開啟與關(guān)閉動(dòng)作;水下環(huán)境模擬裝置通過注水、排水模擬發(fā)射筒水下啟閉環(huán)境及水流擾動(dòng)。為對(duì)比調(diào)速閥閥與伺服閥對(duì)開關(guān)蓋控制效果的影響,液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)2條支路,分別為由電磁換向閥、調(diào)速閥組成的回油調(diào)速回路和由電液伺服閥單獨(dú)控制的伺服控制回路。

    圖7 開關(guān)蓋模擬水下試驗(yàn)裝置Fig.7 Underwater simulating test device of launching shaft switch cover

    圖8 開關(guān)蓋試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Control system of test device

    開關(guān)蓋試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示。基于設(shè)定的開關(guān)蓋時(shí)間解算開關(guān)蓋位置控制參考信號(hào),通過控制器解算液壓閥控制信號(hào)控制開關(guān)蓋液壓缸動(dòng)作,使用高增益觀測(cè)器結(jié)合位移傳感器、壓力傳感器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)量進(jìn)行觀測(cè)后引入控制器,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。解算得出的閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)工控機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送±10 V電壓信號(hào),經(jīng)信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)接系統(tǒng)進(jìn)行電壓電流轉(zhuǎn)換后輸出±40 mA信號(hào)驅(qū)動(dòng)調(diào)速閥/伺服閥,實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)蓋裝置的動(dòng)作控制。

    圖9 開關(guān)蓋控制實(shí)驗(yàn)軌跡Fig.9 Track of switch cover controls experiment

    4.2 試驗(yàn)結(jié)果

    為比較調(diào)速閥和伺服閥的控制效果,驗(yàn)證提出的高增益滑??刂破鲗?duì)控制效果的提升,分別對(duì)調(diào)速閥和伺服閥采用傳統(tǒng)PID控制和高增益滑??刂七M(jìn)行開關(guān)蓋試驗(yàn)。試驗(yàn)得到開關(guān)蓋液壓缸活塞桿位移xp和筒蓋開關(guān)速度vp,如圖9所示。由圖可知,雖然位移曲線相接近,但在速度跟蹤精度和平穩(wěn)度上,伺服閥的控制效果明顯優(yōu)于調(diào)速閥回油調(diào)速控制,采用高增益滑??刂频目刂菩Ч麅?yōu)于傳統(tǒng)PID控制,并且采用伺服閥和高增益滑??刂频慕M合對(duì)控制效果提升最明顯。

    開蓋速度誤差e如圖10、表1所示。采用伺服閥滑??刂频乃俣雀櫺Ч顑?yōu),均方根誤差最小,控制精度較傳統(tǒng)控制上升30%。

    圖10 開關(guān)蓋速度誤差Fig.10 Speed deviation of switch cover controls experiment

    表1 開蓋速度誤差Tab.1 Speed deviation of switch cover controls experiment

    5 結(jié)論

    針對(duì)水下發(fā)射裝置開關(guān)蓋的速度高精度控制問題,提出了使用伺服閥替代調(diào)速閥的改進(jìn)控制方案,設(shè)計(jì)了一種基于高增益觀測(cè)器的滑模控制器,并根據(jù)搭建的筒蓋模擬裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)后的控制方案能有效提高筒蓋開關(guān)蓋的速度控制精度,較傳統(tǒng)方法提升30%,實(shí)現(xiàn)了筒蓋系統(tǒng)的平穩(wěn)高效控制。

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