带积分项的火箭炮最优化滑模伺服控制
摘要:针对某防空火箭炮交流位置伺服系统负载、参数大范围变化以及发射时具有强干扰力矩的特点,提出了带积分项的基于最优化的滑模变结构控制方法并设计了控制器。计算机仿真结果表明,该控制器不仅消除了经典控制所存在的静差,同时对负载扰动和系统参数摄动具有较强的鲁棒性,并保证了系统的瞬态性能指标。
多管火箭炮作为突击武器,早期主要用于陆军的火力压制,随着火炮伺服系统的发展、火箭炮射击性能的提高以及战术的需要,目前已经将其成功移植为舰载多管火箭武器,如美国的ABRS、法国的STORM以及意大利的BREDA等舰载多管火箭武器。同时,在地面防空领域,由于多管火箭炮火力密集、射程远,将多管火箭炮应用于防空成为多管火箭炮的发展方向,由于多管火箭炮较防空高炮具有更加恶劣的负载特性,即弹炮质量比大造成发射状态转动惯量变化大,不平衡力矩的存在及大范围变化以及强大的燃气流冲击力矩的干扰等,对多管火箭炮位置伺服系统的控制器设计提出了更高要求,本文将基于带积分项的最优化滑模变结构控制应用于火箭炮位置伺服系统,不仅达到了系统指标要求,同时提高了伺服系统的鲁棒性和抗干扰能力。
1 火箭炮位置伺服系统组成及性能指标
由于交流调速系统的迅速发展以及稀土永磁材料性能的不断提高和价格的不断下降,使稀土永磁交流伺服系统成为交流伺服系统的发展主流,本文将永磁同步伺服电动机(PMSM)应用于多管火箭炮位置伺服系统,构成多管火箭炮数字交流伺服系统,即以交流PMSM为执行元件,系统速度环和位置环控制采用数字控制,其电气原理如图1所示。
系统性能指标为:单位阶跃响应过渡过程ts<0.2 s,系统无超调无振荡,稳态误差小于0.001 rad.
2 基于电流解耦控制的PMSM线性化模型
三相PMSM的模型是一个多变量非线性的状态模型,为使伺服系统控制灵活、方便,响应快,控制精度高,必须实现交直轴电流的解耦控制,电流解耦控制虽然是一种近似的解耦控制方案,得到的是近似的线性化解耦模型,但却容易实现,只要采用比较好的处理方式,该方法不仅能够获得快速高精度的力矩控制,而且控制电路简单,实现较方便,且使三相PMSM在动、静态均能得到近似解耦控制。由于采用按转子磁极位置定向的矢量控制及脉宽调制(PWM)闭环电流快速跟踪方式,可以认为定子电流的励磁分量Id=0,为分析简化,假设:1)忽略饱和效应。2)电动机气隙磁场均匀分布,感应反电动势呈正弦波状。3)磁滞及涡流损耗不计。4)励磁电流无动态响应。5)转子上无励磁绕组。
根据假设,可写出转子坐标系即dq坐标系下的交流位置伺服系统的线性化数学模型。
在PMSM位置伺服三闭环控制系统中,由于电流环采用滞环控制方式,因此可以把包括电流环在内的PMSM(负载惯量折算至电机输出轴上)、逆变器看为广义的“被控对象”。因逆变器包含在电流环内,而考虑系统电磁时间常数比机械时间常数小得多,且电流环响应速度远快于速度环和位置环的响应速度,因此可将电流环近似简化为比例系数为1的比例环节,变结构控制器可以将位置调节器与速度调节器合二为一组成滑模控制器[1-2]。以俯仰位置伺服系统为对象,其控制结构如图2所示。
4 仿真研究
对以上模型分别设计PID控制器和滑模变结构控制器,利用MATLAB软件进行计算机仿真[6],结果如图5和图6所示,其中1为PID控制器响应曲线,2为最优化滑模变结构控制响应曲线。图5在0.5 s负载突加10 N.m的干扰力矩,图6为系统转动惯量变化2倍时的响应曲线。
由图5可以看出,经典控制对系统扰动没有抵抗能力,且进一步给系统带来静态误差。带积分项的滑模变结构控制器对系统负载扰动不敏感,具有较强的鲁棒性,且消除了系统静差。由图6可以看出,经典控制对系统惯量变化十分敏感,使系统阶跃响应产生超调,同时响应具有一定稳态误差,而变结构控制不仅阶跃响应无静差且系统响应对参数摄动具有较强的鲁棒性,达到了系统响应无振荡无超调的设计要求,具有明显的优势和应用价值。
5 结论
本文利用带积分项的滑模变结构控制应用于火箭炮位置伺服系统跟踪控制,有效地消除了系统静态误差。同时仿真结果表明,通过带积分项的最优化滑模切换函数及变增益控制律的设计,有效的消除了系统静差,同时系统对参数摄动及负载干扰具有较强的鲁棒性,有效地保证了系统瞬态响应指标要求。该方法具有结构简单、实时性强及易于工程实现等特点。
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