全电坦克双向稳定系统自适应积分鲁棒控制_袁树森.pdf

第 卷第 期 年 月兵工学报 ：全电坦克双向稳定系统自适应积分鲁棒控制袁树森，邓文翔，姚建勇，杨国来（南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京）摘要：针对全电坦克双向稳定系统具有复杂的强非线性、强耦合性、强参数时变性等特点，提出了一种基于误差符号积分鲁棒反馈的坦克双向稳定系统自适应积分鲁棒（）控制设计方法。考虑全电坦克双向稳定系统为一个耦合性的、非线性的、不确定性的动力学系统，建立面向真实的全电坦克双向稳定系统机电一体化解析动力学模型；基于 法融合自适应的思想，引入辅助误差信号设计了 控制器，有效衰减系统的未建模扰动；所设计的 控制器不需要预先知道未知扰动的上界，而是通过自适应的方法不断更新以获取其上界，降低了其工程应用的保守性；基于 理论分析，在连续控制输入下可以保证坦克双向稳定系统获得渐进跟踪性能。通过 的仿真对比试验，验证所提方法的有效性。关键词：全电坦克；双向稳定系统；积分鲁棒控制；自适应控制 中图分类号：.文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（、）；江苏省研究生科研与实践创新计划项目（），（，）：，（），：；第 期全电坦克双向稳定系统自适应积分鲁棒控制 引言新一代坦克武器正朝着高机动、高精度方向发展，对坦克双向稳定系统提出了更高的要求。传统的电液式坦克双向稳定系统效率低、噪声大、维修困难等缺点逐渐凸显，全电式坦克双向稳定系统不但克服了上述缺点，还进一步降低了维护成本，是目前坦克双向稳定系统发展的主要方向。随着军事技术变革，未来战场环境恶化，作战理念调整，高机动条件下坦克双向稳定系统的非线性机理、机电耦合机理、系统不确定性机理变的更加复杂，已成为世界各国学者关注的重点。坦克双向稳定系统的精确指向控制面临以下两大主要挑战。第一：高机动环境下系统的非线性机理复杂、形式多样，主要包括方位和高低子系统的两轴耦合特性、系统内部的摩擦非线性、间隙非线性以及由于外界干扰和测量误差导致的各种不确定性，因此需要准确建立考虑系统非线性、耦合性和不确定性的机电一体化综合动力学模型。文献 建立了坦克高低子系统的动力学模 型，未 考 虑 系 统 的 两 轴 耦 合 动 态 特 性；文献 考虑了坦克双向稳定系统的执行机构建模及其控制器的设计，但只是将高低或方位向的负载折算至电机转子的总转动惯量，实质是控 制 驱 动 坦 克 炮 塔 和 火 炮 的 伺 服 电 机；文献，考虑了坦克双向稳定系统方位向与高低向的两轴耦合动力学特性，基于拉格朗日动力学方程建立了双向稳定系统两轴耦合动力学模型，忽略了执行机构伺服电机与动力学模型之间的机电耦合效应，控制器设计的本质是基于系统的力矩控制。第二，现代战争的特殊作战环境，坦克武器所受的各种扰动逐渐增强，采用传统的控制方法难以适应未来高机动作战要求，随着影响坦克炮塔火炮扰动幅度与频率的增大使得系统的性能急剧恶化甚至失稳。目前坦克双向稳定系统最常用的还是比例积分微分（）控制器，随着现代控制技术的提高，产生了一系列修正的 控制方法，但是 控制器本身依然是一种线性控制方法，在面对坦克双向稳定系统这样一个复杂的、多变量的非线性系统时，终究显得无能为力。为提高坦克双向稳定系统的跟踪性能，各种非线性控制算法并加以整合被逐渐应用至坦克双向稳定系统控制中。文献，通过自适应控制处理了坦克炮控系统中的参数不确定性问题，但是即使很小的干扰都有可能使得参数自适应过程不稳定，进而降低控制器性能；文献，针对坦克稳定系统提出了自适应鲁棒控制，可同时处理系统中的参数不确定性和不确定非线性，研究表明自适应鲁棒控制器不仅克服了传统自适应控制不稳定、鲁棒性差的缺陷，还提高了系统的控制精度，但是它过于依赖系统的精确化建模，系统内部潜在的未建模干扰会严重 恶 化 自 适 应 鲁 棒 控 制 器 的 跟 踪 性 能。文献将自适应鲁棒控制与线性扩张状态观测器有机地结合应用于坦克双向稳定系统，理论证明和仿真试验表明该方法具有良好的跟踪性能。然而以上控制器的设计在面对坦克双向稳定系统这样一个的复杂的不确定性系统时，只能获得一致有界的跟踪性能，这种性质对于双向稳定系统这样一个高精度系统而言是不能被接受的。作为坦克火控系统末端最重要的子系统，若不能保证首发命中，极有可能造成不可逆的后果，因此，获得渐进输出的跟踪性能在坦克双向稳定系统中显得尤其重要。为进一步获得优异的渐进跟踪性能，文献首次将基于误差符号的积分鲁棒（）控制方法应用至坦克火控系统领域，虽然它忽略了系统执行机构的建模，但是数值仿真结果已表明了该方法的优越性。此外，基于 的控制方法也已经在其他多类复杂非线性系统中得到成功应用。基于以上分析，本文针对全电坦克双向稳定系统中的强非线性、强耦合性、强参数时变性。第一步充分考虑炮塔火炮的两轴耦合运动学特性和驱动端电机伺服系统内部的电气动态，建立了更符合实际的全电坦克双向稳定系统机电耦合解析动力学模型；第二步提出一种自适应积分鲁棒（）控制方法，通过 法融合了积分鲁棒控制和自适应控制，无需预先知道坦克双向稳定系统外部干扰导数的上界，并且积分鲁棒增益可自动在线调节；第三步基于李雅普诺夫函数证明了闭环系统渐近稳定特性，所设计的控制器具有连续控制、不受干扰的自动增益整定和渐近跟踪等优点；第四步基于 软件进行联合仿真试验，大量对比结果验证本文所提控制策略的有效性。坦克双向稳定系统动力学模型.坦克双向稳定系统两轴耦合动力学解析建模坦克双向稳定系统的动力学模型如图 所示，兵 工 学 报第 卷它主要包括方位子系统和高低子系统。图 中：和 分别为方位子系统炮塔和高低子系统火炮的质量；和 分别为方位子系统和高低子系统在大地坐标系下的旋转角度，即炮塔和火炮的旋转角；和 分别为炮塔和火炮绕其回转轴的半径。根据火控系统的目标指令，方位子系统用于稳定和驱动炮塔运动，高低子系统用于稳定和驱动火炮瞄准。图 坦克双向稳定系统两轴耦合系统结构 选取方位子系统炮塔平面为零势能面，则炮塔的势能，火炮的势能 （）；计算方位子系统炮塔和高低子系统火炮的动能：（）（）（）根据 等的研究，拉格朗日函数为 ，定义 和 分别为方位子系统炮塔和高低子系统火炮的驱动力矩，根据 动力学方程：，（）将、和 代入式（），则坦克双向稳定系统两轴耦合动力学解析模型为()（）（）（）（）（）（）式中：（）和（）分别为方位子系统和高低子系统的外干扰等不确定性项；为万有引力常数。.方位子系统驱动端动力学解析建模全电坦克双向稳定系统方位子系统采用电力传动方式，它包括伺服电机、座圈系统等。方位子系统的运动过程简述为伺服电机输入电压产生电枢电流，电枢电流通过与电枢电路中的励磁通相互作用而产生电磁转矩，电磁转矩克服炮塔负载，最终伺服电机和齿轮机构随炮塔水平方向同步转动。方位子系统伺服电机和齿轮机构的传动原理与安装结构如图 所示。图 方位子系统驱动端结构 考虑伺服电机的实际特性，由于电枢电感较小，忽略电枢电流动态，因此方位子系统伺服电机的动力学方程可描述为 ，（），（）式中：为伺服电机的转动惯量；为伺服电机的转角；为伺服电机电磁转矩；为伺服电机轴黏性阻尼系数；，为齿轮输入转矩；为伺服电机力矩放大系数；为伺服电机的控制输入；，为伺服电机的电动势系数。由于方位子系统需要采用由多级齿轮机构组成的机械减速传动装置降速，以满足炮塔 火炮所需，齿轮啮合传动不可避免地存在齿隙非线性，通过如下连续齿隙模型描述多级齿轮机构输入转矩 和输出转矩（它是方位子系统的输入转矩，即式（）之间的齿隙非线性，（）（）式中：为多级齿轮机构的传动比；（）为多级齿轮机构传动过程的未建模误差。进一步地，根据 ，将式（）、式（）代入式（），可得 （），（）第 期全电坦克双向稳定系统自适应积分鲁棒控制因此，方位子系统的输入转矩可表示为 ，（）（）将 代入式（）可以得到全电坦克双向稳定系统方位子系统动力学模型为 ，（）（）（）（）位子系统动力学模型式（）综合考虑了炮塔火炮机械系统的方位向动态特性和驱动端执行机构内部的伺服电机电气动态特性，充分反映了方位子系统机械、电气一体化耦合动力学特性、摩擦非线性、齿隙非线性以及其他未建模的不确定性。.高低子系统驱动端动力学解析建模全电坦克双向稳定系统高低子系统采用电动缸传动，其结构形式如图 所示，它包括滚珠丝杠、伺服电机等。其运动过程简述为电动缸系统输入电压产生电枢电流，电枢电流产生电磁力使得滚珠丝杠旋转，进而带动电动缸推杆做直线运动，推杆克服高低子系统负载，驱动火炮身管在高低向的旋转。电动缸的安装位置原理和传动原理分别如图 和图 所示，高低子系统的动力学解析建模与方位子系统相似，不同之处在于高低子系统执行机构采用电动缸驱动，将推杆的直线运动转换为身管的旋转运动，还需额外地考虑机构非线性特性。图 高低子系统驱动端结构 电动缸的动力学模型可以描述为，（）（），（）式中：为伺服电机电磁转矩；，为伺服电机输出图 电动缸安装结构原理图 图 电动缸传动原理图 转矩；为伺服电机转动惯量；为伺服电机的转角；伺服电机轴黏性阻尼系数；为伺服电机力矩放大系数；为伺服电机的控制输入；，为电动缸的输出转矩；，为驱动器的转动惯量；，为驱动器的黏性阻尼系数。电动缸的输出转矩可描述为，（）（）式中：为丝杠的导程；为电动缸推杆的输出推力；为电动缸的传动效率；为电动缸的传动比；为电动缸推杆的输出位移。如图 所示，清晰描述了电动缸的上下支点和身管以及摇架之间的几何关系与位置关系，为电动缸在炮塔内的支点铰接中心与耳轴中心之间的距离，为电动缸的初始长度，为电动缸的下支点中心与耳轴中心之间的距离，为电动缸的顶角角度，为电动缸的初始角度。其中 ，则电动缸推杆的位移 可表示为 （）（）（）将其代入式（），可得（）（）兵 工 学 报第 卷由式（）、式（）、式（）可得，（）（，）（）通过图 的几何关系分析可知，电动缸对高低子系统的输入转矩为 （）式中：角度 为电动缸推力与坦克身管水平轴线之间的夹角，根据图 中的三角函数关系可得 （）（）（）因此，根据式（）和式（）可得高低子系统的输入转矩为，（）（）（，）（）（）（，）（）（）（，）（）（）（）（，）（）（）（）（）式中：（）表示高低子系统驱动端的建模误差。将代入式（）可以得到全电坦克双向稳定系统高低子系统动力学模型为（，）（）（）（）（）（，）（）（）（）（，）（）（）（）（）（，）（）（）（）（）高低子系统动力学模型式（）综合考虑了炮塔火炮机械系统的高低向动态特性、驱动端执行机构电动缸内部的伺服电机电气动态和转子的动力学特性以及电动缸和高低子系统之间的机构非线性，充分反映了高低子系统机械、电气一体化的耦合动力学特性、摩擦非线性、齿隙非线性、机构非线性以及其他未建模的不确定性。控制器设计定义如下状态变量 ，。则坦克双向稳定系统动力学模型可以写成如下状态空间形式：（）（）（，）（）（）（）其中：（）|，（，）（）（）；（）|，（）（）；（，）|，（），(（）)，（，）（）（）（）（，）（）（）（，）（）（）；（）|，；（）为坦克双向稳定系统的总干扰，包括外负载干扰、未建模摩擦、未建模动态、方位子系统和高低子系统中实际参数与建模参数的偏离造成的干扰，（）（）（）|，第 期全电坦克双向稳定系统自适应积分鲁棒控制（）（）（），（）（）（）。为了便于控制器的设计，合理假设如下：假设 系统的总干扰（）足够光滑，使得（）、（）均存在且有界，即（），（）（）式中：和 均为未知正数。假设 中对于未建模总干扰足够平滑的假设在坦克武器系统实际工程中是合理的，因为实际系统中的物理执行器不可能产生不连续的力或者力矩。控制器的设计通过 法将积分鲁棒控制和自适应控制相结合。控制器的设计目标为：给定 坦 克 双 向 稳 定 系 统 位 置 参 考 信 号（），（），设计一个有界的连续控制输入 ，使得系统输出 ，跟踪参考位置信号的误差趋于零或在期望的范围内。首先，定义误差变量：（）式中：为坦克双向稳定系统的跟踪误差。对 求时间的导数，可得 （）下一步，通过定义 ，表示它们之间的偏差，是状态 的虚拟控制律，设计为，（）式中：（，）为正反馈增益。进一