基于内模原理的某舰载火箭炮操瞄系统控制研究

论文摘要

随着现代战争模式的变化及军事科学技术的发展,对火箭炮武器系统提出了更高的要求,需要提高火箭武器系统射击精确度。火箭炮的射击精度和反应速度依赖于火箭炮位置伺服系统的性能,为了提高舰载火箭炮在火力压制和防空方面的效能,本文结合某集束舰载火箭炮伺服系统的研制,研究高性能的火箭炮交流位置伺服系统,以现代控制理论为基础,结合前馈控制原理,对火箭炮伺服系统高精度跟踪控制和参数摄动下的鲁棒跟踪控制等进行了研究,有效地提高了火箭炮的射击精度,具有重要的理论价值和现实意义。首先,分析了某集束舰载火箭炮位置伺服系统的结构特点和工作原理,在永磁同步电动机的数学模型基础上,建立了舰载火箭炮交流伺服系统的数学模型,并将安装平台的耦合干扰作用建立到被控对象模型中。根据伺服电机驱动器的工作模式,将电流环和速度环的控制结构融合到被控对象数学模型中并进行推导化简,获得了伺服电机工作在速度环模式下的火箭炮伺服系统数学模型。对所建立数学模型的动态特性进行数值仿真,并与实验数据对照,二者结果吻合较好,表明数学模型能准确反映实际系统的特性,为下文设计位置控制器提供了依据。其次,针对经典PID控制不能满足高精度跟踪控制要求和一些智能复合控制策略实现成本高等问题,提出了一种基于不变流形的前馈-输出反馈控制策略。前馈控制律中需要使用目标航路轨迹和舰体摇摆运动的3阶以内导数信息,分别使用高增益观测器（HGO）和基于频谱分析的状态观测器来估计二者的导数,配置误差系统状态矩阵的特征根均具有负实部,使得在原点是渐近稳定的。同时给出了使用主动阻力矩进行低速摩擦爬行补偿的一些理论研究成果,为提高火箭炮低速运行性能等研究提供一些探索性的参考。前馈-输出反馈控制策略能够满足系统的设计指标,然而需要使用被控对象精确的数学模型和外部系统的参数。在实际应用中,当获取的系统参数和状态变量存在较大的偏差时,可能导致跟踪误差增加,这是其主要的局限性。将内模原理应用到火箭炮交流伺服系统的位置控制中,解决了前馈-输出反馈控制策略的局限性。内模原理也是一种基于不变流形的前馈控制策略,是将外部系统和控制量看作一个系统,并将其浸入到一个新的系统中,这个新系统可以产生驱动系统跟踪误差在其零不变流形上滑动的控制量,设计原理和数值仿真结果均表明内模控制策略对被控对象系统参数和外部系统的相位、幅值均具有很好的鲁棒性。但是标称内模原理在工程应用中存在一定的局限性,即需要已知外部系统的频率信息。为此,在标称内模原理的基础上,设计了一种基于跟踪误差和内模原理状态变量的自适应律,解决了控制器需要已知外部系统频率信息的局限,仿真结果表明该控制策略有效地提高了系统的跟踪精度,满足系统的性能指标要求,同时对系统参数摄动及外部系统均具有很强的鲁棒性,且此方法具有结构简单和易于实现等优点。最后,分析了实验系统的结构特点和基本组成,完成了以DSPF2812为核心的系统硬件电路、控制程序及电气连接部分的设计和研制。以火箭炮发射装置样机和其传动链模拟实验台为基础,对自动操瞄系统在不同信号下的前馈-输出反馈控制和自适应内模原理控制律进行了实验研究。通过实验结果分析,证实了系统设计指标实现的可行性,同时也证明了理论分析和数值仿真研究结果的正确性及自适应内模原理的有效性,与前人工作对比,进一步提高了系统的跟踪精度,为系统的后续研制和内模原理的应用提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景及其意义
• 1.2 国内外的研究现状与发展趋势
• 1.2.1 舰载火箭炮发展
• 1.2.2 火箭炮伺服系统发展
• 1.2.3 内模原理发展
• 1.2.4 交流伺服系统发展
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 章节安排
• 2 火箭炮交流伺服系统建模
• 2.1 引言
• 2.2 输出调节问题的一般理论
• 2.2.1 基本概念
• 2.2.2 稳定性理论
• 2.2.3 内模原理
• 2.3 火箭炮位置伺服系统组成与工作原理
• 2.3.1 火箭炮位置伺服系统组成
• 2.3.2 火箭炮位置伺服系统工作原理
• 2.4 火箭炮位置伺服系统数学模型
• 2.4.1 外部系统数学模型
• 2.4.2 随动发射装置数学模型
• 2.4.3 速度环模型稳定性证明
• 2.4.4 速度环数值仿真结果与实验对比
• 2.5 本章小结
• 3 火箭炮位置伺服系统前馈.输出反馈控制
• 3.1 引言
• 3.2 前馈控制设计概述
• 3.2.1 零误差流形（zero-error manifold）
• 3.2.2 误差形式等效系统
• 3.2.3 状态观测器设计
• 3.3 前馈-输出反馈控制器设计
• 3.3.1 系统说明
• 3.3.2 零误差流形和误差形式等效系统
• 3.3.3 控制律设计
• 3.4 仿真分析
• 3.5 使用主动阻力矩的摩擦爬行补偿新方法
• 3.5.1 引言
• 3.5.2 方案原理
• 3.5.3 方案设计
• 3.5.4 理论分析与计算
• 3.5.5 稳定性证明
• 3.5.6 仿真算例
• 3.5.7 结论
• 3.6 本章小结
• 4 火箭炮位置伺服系统的内模控制策略设计
• 4.1 引言
• 4.2 内模原理概述
• 4.3 使用内模原理的火箭炮位置伺服系统设计
• 4.3.1 外部系统假设
• 4.3.2 内模控制器设计
• 4.4 仿真结果与分析
• 4.5 本章小结
• 5 火箭炮位置伺服系统的自适应内模控制策略设计
• 5.1 引言
• 5.2 自适应内模原理
• 5.3 使用自适应内模原理的火箭炮位置伺服系统设计
• 5.3.1 外部系统假设
• 5.3.2 自适应内模控制器设计
• 5.4 仿真分析
• 5.4.1 系统参数和仿真算例描述
• 5.4.2 仿真结果与分析
• 5.5 本章小结
• 6 实验平台设计与控制策略验证
• 6.1 引言
• 6.2 火箭炮武器系统与随动发射装置分系统描述
• 6.2.1 随动发射装置设计指标
• 6.2.2 火箭炮武器系统工作原理
• 6.2.3 随动发射装置分系统
• 6.3 控制系统设计
• 6.3.1 硬件设计
• 6.3.2 软件设计
• 6.4 实验验证
• 6.4.1 实验方案
• 6.4.2 实验结果与分析
• 6.4.3 实验小结
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 贡献及创新点
• 7.3 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录