郭華新，赫　雷，曹雛清，周克棟

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094)

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遙控武器站交流位置伺服系統(tǒng)控制及聯(lián)合仿真

郭華新，赫雷，曹雛清，周克棟

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094)

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種新型車載遙控武器站，將復(fù)合前饋控制與模糊PI控制策略分別應(yīng)用到遙控武器站位置伺服系統(tǒng)的位置環(huán)和速度環(huán)控制器，組成永磁同步電動機(jī)位置伺服系統(tǒng)串級復(fù)合控制器，解決了PID控制位置和速度變量帶來的系統(tǒng)干擾問題，提高了其動態(tài)跟蹤精度?；贏DAMS和Matlab/Simulink平臺，建立了遙控武器站的機(jī)械動力學(xué)模型和聯(lián)合仿真模型，經(jīng)過仿真計(jì)算，驗(yàn)證了機(jī)電系統(tǒng)的可行性，為遙控武器站的應(yīng)用實(shí)踐和進(jìn)一步深入研究打下了一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：遙控武器站；位置伺服系統(tǒng)；串級復(fù)合控制；聯(lián)合仿真

本文引用格式：郭華新，赫雷，曹雛清，等.遙控武器站交流位置伺服系統(tǒng)控制及聯(lián)合仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(6):10-15.

Citationformat:GUOHua-xin,HELei,CAOChu-qing,etal.CascadeCompoundControlandItsCo-SimulationofACPositionServoSystemofRemoteControlledWeaponStation[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):10-15.

遙控武器站位置伺服系統(tǒng)包括方位位置伺服系統(tǒng)和高低位置伺服系統(tǒng)，遙控武器站總體結(jié)構(gòu)見圖1。位置伺服系統(tǒng)最核心的驅(qū)動部件是方位電機(jī)和高低電機(jī)[1]。

將永磁同步電動機(jī)位置伺服系統(tǒng)采用電流控制、速度控制和位置控制分開進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)三環(huán)串級控制可以獲得可靠的調(diào)整性能和動態(tài)跟蹤性能，其傳統(tǒng)串級PID控制策略是電流環(huán)采用PI控制規(guī)律,確保電流環(huán)的快速響應(yīng)，速度環(huán)采用PI控制規(guī)律,保證進(jìn)行穩(wěn)定的速度控制,使其定位時不產(chǎn)生振蕩，位置環(huán)通常采用比例控制，具有高精度和良好的跟蹤性能，由這種經(jīng)典PID控制組成的串級控制結(jié)構(gòu)雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)態(tài)精度高、可靠性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)[2],但系統(tǒng)在快速性、動態(tài)跟蹤精度、抗干擾能力方面無法滿足遙控武器站對位置控制及射擊精度要求。

本文研究了將復(fù)合前饋控制與模糊PI控制策略分別應(yīng)用到遙控武器站位置伺服系統(tǒng)的位置環(huán)和速度環(huán)控制器，從而組成永磁同步電動機(jī)位置伺服系統(tǒng)串級復(fù)合控制器，并應(yīng)用ADAMS和控制仿真軟件Matlab/Simulink建立遙控武器站的機(jī)械動力學(xué)模型和聯(lián)合仿真模型。

1.激光測距機(jī)；2.CCD攝像機(jī)；3.熱像儀；4.模塊化通用武器架；5.高低機(jī)蝸輪蝸桿；6.方向機(jī)電機(jī)；7.方向機(jī)減速器；8.方向減速機(jī)輸出端與傳動裝置聯(lián)軸器；9.彈藥箱；10.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

圖1遙控武器站總體結(jié)構(gòu)

1　交流位置伺服系統(tǒng)串級復(fù)合控制

本文永磁同步電機(jī)(PMSM)位置伺服系統(tǒng)基于矢量控制，由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成三閉環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)id=0矢量控制方式，給出在此控制方式下PMSM矢量控制系統(tǒng)原理圖[3]，如圖2。

采用id=0的矢量控制，PMSM解耦狀態(tài)方程為

(1)

式中iq為q軸電流，ωr為轉(zhuǎn)子角速度，R為繞組等效電阻；L為等效電感；Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為折算到電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動慣量，ψf為永磁體在定子上所產(chǎn)生的耦合磁鏈，pn為極對數(shù)。在零初始條件下，對PMSM解耦狀態(tài)方程求拉普拉斯變換，以電壓uq為輸入，轉(zhuǎn)子速度為輸出的PMSM控制系統(tǒng)方框圖如圖3[4]。

圖3　PMSM控制系統(tǒng)框圖

在圖3中加入位置環(huán)控制器、速度環(huán)控制器及其前向?yàn)V波器、反饋濾波器和電流環(huán)控制器及其前向?yàn)V波器、反饋濾波器后，速度積分單元和光電編碼器檢測放大系數(shù)α可得到伺服系統(tǒng)三閉環(huán)控制圖[5]，如圖4。

圖4　位置伺服系統(tǒng)控制框圖

1.1電流環(huán)PI控制器設(shè)計(jì)

電流環(huán)的關(guān)鍵部分包括電流環(huán)控制器、PWM逆變器及電機(jī)電樞回路。

電流環(huán)是速度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中的一個環(huán)節(jié)，由于速度調(diào)節(jié)環(huán)的截止頻率較低，且Ti<<τi，故電流環(huán)可降階為一個慣性環(huán)節(jié)，由此可實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)環(huán)速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。降階后的電流環(huán)傳遞函數(shù)為

(2)

式中，K′=KKiKp。其中，K=1/R，Kp為電流調(diào)節(jié)器的比例放大倍數(shù)，Ki為小慣性環(huán)節(jié)控制增益。

1.2速度環(huán)控制器設(shè)計(jì)

在PMSM位置伺服系統(tǒng)中電流環(huán)節(jié)可以等效成為一階慣性環(huán)節(jié)如式(2)所示,選擇速度調(diào)節(jié)環(huán)速度調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器時,其傳遞函數(shù)為

(3)

Ks、Ts分別為速度調(diào)節(jié)環(huán)速度調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)和積分時間常數(shù)。

采用速度環(huán)PI控制，其優(yōu)點(diǎn)在于控制方法簡單，對于在速度響應(yīng)、跟隨、抗干擾方面控制精度要求不高的系統(tǒng)是比較好的控制方法。但PI控制存在超調(diào)現(xiàn)象，特別是在高速度響應(yīng)時。由于超調(diào)的不確定性，很容易導(dǎo)致電機(jī)角速度超過其所允許的最大角速度，加劇電機(jī)的損耗，同時速度超調(diào)過程到恢復(fù)穩(wěn)定過程中，系統(tǒng)加速度的變化更加干擾跟蹤的準(zhǔn)確性。為了提高位置伺服系統(tǒng)的魯棒性，需要對速度環(huán)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，本文對速度環(huán)調(diào)節(jié)器采用的優(yōu)化策略是模糊PI控制策略，充分結(jié)合模糊控制和PID直接的優(yōu)點(diǎn)，既體現(xiàn)PID控制精度相對高，又發(fā)揮模糊控制適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[6-9]。

1.3位置環(huán)控制器設(shè)計(jì)

經(jīng)典的位置環(huán)采用比例控制，主要從超調(diào)和振蕩兩方面考慮，在保證位置跟隨性能穩(wěn)定的前提下，控制器越簡單越好。在位置伺服系統(tǒng)中的比例增益需要不斷調(diào)試，小的位置比例增益雖然能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但控制系統(tǒng)頻帶較窄；大的位置比例增益可提高位置響應(yīng)，但抗干擾性差。

對于遙控武器站，特別是在其執(zhí)行目標(biāo)檢測、識別、跟蹤工作狀態(tài)，位置環(huán)若單純使用比例控制器，其位置跟蹤誤差往往較大，并且若希望位置無超調(diào)，也必須以放棄快速響應(yīng)為代價。為了達(dá)到位置伺服系統(tǒng)的無超調(diào)與快速響應(yīng)，僅僅依靠改變位置環(huán)比例控制器的比例增益是無法完成的。

為克服系統(tǒng)靜態(tài)精度與動態(tài)品質(zhì)之間的矛盾，可以采用復(fù)合控制方法對誤差進(jìn)行補(bǔ)償。復(fù)合控制是在誤差控制的閉環(huán)系統(tǒng)基礎(chǔ)上并聯(lián)一補(bǔ)償器，即系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)受系統(tǒng)誤差信號和輸入信號的高階微分信號綜合控制。遙控武器站交流位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)復(fù)合前饋控制等效結(jié)構(gòu)圖如圖5[10]。

圖5　位置環(huán)復(fù)合前饋控制等效結(jié)構(gòu)

遙控武器站交流位置伺服系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為

(4)

考慮對遙控武器站交流位置伺服系統(tǒng)速度跟蹤信號和正弦跟蹤進(jìn)行前饋補(bǔ)償，前饋補(bǔ)償傳遞函數(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)為：

(5)

2　遙控武器站位置伺服系統(tǒng)串級復(fù)合控制策略及仿真

根據(jù)交流伺服電機(jī)及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)分別設(shè)計(jì)位置環(huán)比例控制器、位置環(huán)前饋控制器并結(jié)合速度環(huán)PI控制器與速度環(huán)模糊PI控制器組成遙控武器站位置伺服系統(tǒng)串級復(fù)合控制器并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。圖6～圖8分別為高低系統(tǒng)單位階躍跟蹤曲線比較圖、正弦跟蹤比較圖、輸入單位階躍信號在0.5 s時加入擾動力矩為1.21 N·m時的擾動曲線比較圖。

1.經(jīng)典PID串級控制曲線；2.位置環(huán)復(fù)合前饋控制、速度環(huán)模糊PI控制曲線；3.位置環(huán)比例、速度環(huán)模糊PI控制曲線；4.輸入曲線

圖6高低系統(tǒng)單位階躍跟蹤曲線比較

1.經(jīng)典PID串級控制曲線；2.位置環(huán)復(fù)合前饋控制、速度環(huán)模糊PI控制曲線；3.位置環(huán)比例、速度環(huán)模糊PI控制曲線；4.輸入曲線；5.基于PI速度控制的位置環(huán)復(fù)合前饋控制曲線

圖7高低系統(tǒng)正弦跟蹤曲線比較

1.經(jīng)典PID串級控制曲線；2.位置環(huán)復(fù)合前饋控制、速度環(huán)模糊PI控制曲線；3.位置環(huán)比例、速度環(huán)模糊PI控制曲線；4.輸入曲線；5.基于PI速度控制的位置環(huán)復(fù)合前饋控制曲線

圖8高低系統(tǒng)受干擾曲線比較

當(dāng)輸入信號為位置階躍信號時，因?yàn)槲恢弥噶钍嵌ǔ?shù)，基于PI速度環(huán)控制的位置環(huán)復(fù)合前饋控制在理論上就是PID控制，即位置環(huán)比例控制、速度環(huán)PI控制，因此圖6中未加入基于PI速度環(huán)控制的位置環(huán)復(fù)合前饋控制曲線。比較結(jié)果表明：位置環(huán)復(fù)合前饋、速度環(huán)模糊PI控制在單位階躍過程中不存在超調(diào)，并且穩(wěn)定時間較短，在輸入信號為正弦信號時，其跟蹤性能較強(qiáng)，對干擾不敏感，恢復(fù)時無超調(diào)。相比于其他3種串級復(fù)合控制策略，位置環(huán)復(fù)合前饋、速度環(huán)模糊PI控制的魯棒性能更好。

3　遙控武器站位置伺服系統(tǒng)聯(lián)合仿真

3.1聯(lián)合仿真模型

遙控武器站的武器系統(tǒng)、觀瞄設(shè)備和目標(biāo)的空間三維簡圖如圖9。

圖9　武器系統(tǒng)、觀瞄設(shè)備和目標(biāo)的空間三維簡圖

以靜止目標(biāo)為遠(yuǎn)距離時，即目標(biāo)到武器系統(tǒng)和觀瞄設(shè)備的空間距離L1(L1>15 m)觀瞄設(shè)備到武器系統(tǒng)的水平距離L2(L2=0.25 m)時，可近似得到：θ3≈θ1、θ2≈θ4，?。?/p>

(6)

其中θ1為水平視場角，θ2、θ3為垂直視場角。本設(shè)計(jì)中選取觀瞄設(shè)備的垂直視場角為-20°～20°，水平視場角為-50°～50°。

假設(shè)目標(biāo)出現(xiàn)在觀瞄設(shè)備的搜索區(qū)域內(nèi)，并給武器系統(tǒng)下達(dá)位置轉(zhuǎn)動命令：方向位置轉(zhuǎn)動0.87 rad，高低位置轉(zhuǎn)動0.35 rad。

聯(lián)合仿真過程中設(shè)置[6]：方向位置轉(zhuǎn)動0.87 rad，高低位置轉(zhuǎn)動0.35 rad。折算到方向電機(jī)輸入軸的轉(zhuǎn)動角度為137.6 rad，方向電機(jī)輸入軸的轉(zhuǎn)動角度為56 rad。方位系統(tǒng)的最大角速度為1.3 rad/s，高低系統(tǒng)的最大角速度為1.0 rad/s，折算到方向電機(jī)軸的最大角速度應(yīng)為208 rad/s，高低電機(jī)軸的角速度應(yīng)為160 rad/s。仿真時間為2.5 s。遙控武器站機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型原理圖如圖10。

3.2仿真結(jié)果分析

通過建立測量可得到高低機(jī)和方向機(jī)的轉(zhuǎn)角曲線，本節(jié)以方向系統(tǒng)為例，仿真結(jié)果如圖11～圖12所示。

圖10　遙控武器站機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型原理圖

圖11　方向電機(jī)轉(zhuǎn)角曲線

圖12　武器系統(tǒng)方向位置轉(zhuǎn)角曲線

從圖11、圖12可知方向電機(jī)在2.5 s時到達(dá)指定目標(biāo)位置137.6 rad，同樣是在開始調(diào)速時，加速度較大，之后位置的移動量減緩。

方向電機(jī)指令轉(zhuǎn)速、實(shí)際轉(zhuǎn)速及其武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、加速度如圖13～圖16所示。

圖13　方向電機(jī)指令轉(zhuǎn)速曲線

圖14　方向電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線

圖15　武器系統(tǒng)方向位置轉(zhuǎn)速曲線

圖16　武器系統(tǒng)方向位置角加速度曲線

從圖13～圖16可知，方向電機(jī)在開始調(diào)速時的指令轉(zhuǎn)速是方向電機(jī)最大的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速208 rad/s。調(diào)速過程中，指令轉(zhuǎn)速越來越小，最終趨向于0，而方向電機(jī)在0.1 s達(dá)到最高轉(zhuǎn)速190 rad/s后，開始做減速旋轉(zhuǎn)，直到2.5 s實(shí)際速度為0，此時系統(tǒng)的指令速度也為0，表示遙控武器站的方向系統(tǒng)在2.5 s后靜止。圖16表示武器系統(tǒng)方向位置的加速度變化，在開始快速響應(yīng)時，最高加速度數(shù)值為15.6 rad/s2，小于設(shè)計(jì)的最高加速度的數(shù)值(本設(shè)計(jì)中武器系統(tǒng)方向位置角加速度的最大值為18 rad/s2)，響應(yīng)時間區(qū)域?yàn)?～0.1 s，減速時間區(qū)域?yàn)?.1～2.5 s，其中1.5～2.5 s之間加速度很小，直到2.5 s時加速度為0。方向電機(jī)在0.1 s電機(jī)達(dá)到最高速及加速過程終止開始減速時，抖動現(xiàn)象明顯。武器系統(tǒng)在方向位置轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)小幅脈動，其原因主要由于減速器模型、方向機(jī)蝸輪蝸桿中的齒輪接觸碰撞引起。

4　結(jié)論

本文運(yùn)用Simulink建立了遙控武器站位置伺服系統(tǒng)控制方框圖，仿真結(jié)果表明在電流環(huán)為PI控制的前提下，位置環(huán)采用復(fù)合前饋控制、速度環(huán)采用模糊PI控制系統(tǒng)的魯棒性較好，響應(yīng)快速并且無超調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)。ADAMS的機(jī)械部分與Simulink控制部分聯(lián)合仿真，所設(shè)計(jì)的遙控武器站滿足設(shè)計(jì)要求。

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(責(zé)任編輯周江川)

doi:【裝備理論與裝備技術(shù)】10.11809/scbgxb2016.06.003

收稿日期：2016-01-08；修回日期：2016-02-15

作者簡介：郭華新(1988—)，男，碩士研究生，主要從事智能武器技術(shù)與工程研究。

中圖分類號：TJ02

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)06-0010-06

CascadeCompoundControlandItsCo-SimulationofACPositionServoSystemofRemoteControlledWeaponStation

GUOHua-xin,HELei,CAOChu-qing,ZHOUKe-dong

(SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,China)

Abstract:A new type of remote controlled weapon station (RCWS) was designed, in which the compound feedforward control and the fuzzy PI control strategy were applied to position loop and speed loop controller of AC position servo system of remote controlled weapon station respectively, and the cascade compound controller of permanent magnet synchronous motor position servo system was composed. This structure could not only solve the system interference caused by the position and velocity variables based on the PID control, but also improve the dynamic tracing accuracy. The mechanical dynamic model and co-simulation platform of remote controlled weapon station were built by ADAMS and Matlab/Simulink, and the feasibility of the mechanical and electrical system was validated by the simulation calculation. The obtained results provide a certain foundation for the further study of remote controlled weapon station.

Key words:remote controlled weapon station; position servo system; cascade compound control; co-simulation