郭若照，李 強(qiáng)，崔俊杰

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

反后坐裝置是火炮系統(tǒng)的核心部件，其工作性能的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)火炮的性能[1]。傳統(tǒng)反后坐裝置通過(guò)精心設(shè)計(jì)制退機(jī)流液孔來(lái)控制制退機(jī)阻力，該阻力與后坐力之間規(guī)律基本不變，然而，由于射擊環(huán)境、生產(chǎn)加工工藝等外界因素的影響，火炮實(shí)際后坐阻力變化規(guī)律與設(shè)計(jì)規(guī)律往往不符，因此可調(diào)節(jié)流液孔大小的液壓閥控反后坐裝置引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。

對(duì)于液壓伺服閥在火炮反后坐裝置中的應(yīng)用，現(xiàn)階段已有一定的理論支持。閥控技術(shù)因其免維護(hù)、密封等優(yōu)點(diǎn)被韓國(guó)學(xué)者廣泛研究[2]。李強(qiáng)等[3]提出最優(yōu)控制理論，指出在這些不同狀態(tài)下的一系列后坐阻力規(guī)律，作為后坐阻力實(shí)時(shí)控制的目標(biāo)，而這些后坐阻力控制規(guī)律可以事先固化在控制系統(tǒng)中。徐新奇等[4]進(jìn)行了閥控反后坐裝置結(jié)構(gòu)的仿真，有效地觀察了火炮后座規(guī)律，為火炮反后坐裝置的研究提供了理論參考。

1 數(shù)學(xué)模型

對(duì)閥控反后坐裝置(見(jiàn)圖1)，采用CAN通道對(duì)兩個(gè)伺服閥進(jìn)行同步控制，分析伺服閥開(kāi)度與后阻阻力之間的關(guān)系，為反后坐裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1.制退筒；2.制退活塞；3.氮?dú)馇唬?.制退桿；5.浮動(dòng)活塞；6.伺服比例閥；7.閥體；8.密封元件；9.位移傳感器；10.復(fù)進(jìn)活門；11.儲(chǔ)氣筒

火炮射擊時(shí)，其運(yùn)動(dòng)和受力十分復(fù)雜，要研究反后坐裝置的運(yùn)動(dòng)，一般作出如下假設(shè)[5]：

1) 火炮后坐部分和炮架是剛性的，且炮架射擊時(shí)靜止不動(dòng)。

2) 所有力均作用在射擊平面內(nèi)。

3) 射擊時(shí)全炮處于平衡狀態(tài)。

沿炮膛軸線方向上的平衡方程為

(1)

其中，后坐阻力為FR，且射角φ設(shè)為0°。

FR=Fφh+Ff+F+FT

(2)

從式中可以看出，后坐阻力FR與液壓阻力Fφh正相關(guān)，因此可以通過(guò)控制液壓阻力Fφh的變化規(guī)律，從而達(dá)到控制后坐運(yùn)動(dòng)和火炮受力的規(guī)律的效果。

根據(jù)連續(xù)方程與伯努利方程可得液壓阻力Fφh與流液孔面積ax的關(guān)系式為[6]：

(3)

式中:K1、K2為后坐時(shí)液壓阻力系數(shù)；Af為浮動(dòng)活塞工作面積；AX為節(jié)制桿在流液孔處的截面面積；Afj為節(jié)制桿活塞前內(nèi)腔截面積；A1為支流最小液流面積；ax為后坐液流孔面積；γ為面積比；ρ為工作腔液體密度；ν為后坐速度。

上述對(duì)反后坐裝置的建模，為后續(xù)更有效地控制火炮后坐阻力規(guī)律、以及實(shí)現(xiàn)同步控制提供了理論依據(jù)。

2 雙閥反后坐系統(tǒng)同步控制原理

2.1 雙閥反后坐系統(tǒng)同步控制結(jié)構(gòu)

在液壓閥控反后坐裝置中，流液孔的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)伺服閥的閥體開(kāi)度來(lái)控制。雙閥反后坐控制系統(tǒng)，主要通過(guò)STM32控制芯片上CAN收發(fā)模塊的CAN_H和CAN_L分別與閥體設(shè)備總線中的CAN_H和CAN_L連接進(jìn)行通信，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓伺服閥開(kāi)度的同步控制。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖

1) STM32控制板與上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接口進(jìn)行連接。在上位機(jī)中，使用Keil 5軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)程序的編寫，利用上位機(jī)編程裝載到控制板中進(jìn)行控制。該運(yùn)動(dòng)控制器采用STM32F103ZET6作為核心芯片進(jìn)行控制。

2) 核心控制板和伺服閥體的連接。控制板與閥體1的CAN_IN連接，閥1的CAN_OUT與閥2的CAN_IN連接，閥2的CAN_OUT不接線。以閥1為主機(jī)，閥2為從機(jī)，把兩個(gè)閥體連接到CAN總線上，在程序中通過(guò)調(diào)用每個(gè)閥體ID來(lái)同步控制及監(jiān)控兩個(gè)伺服比例閥的開(kāi)度。

3) 核心控制板和外設(shè)觸摸屏通過(guò)串口相連。該系統(tǒng)選用TFTLCD顯示屏作為外設(shè)觸摸屏，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，可使用觸摸屏對(duì)閥體的開(kāi)度進(jìn)行控制和讀取，更加符合實(shí)際需求。

2.2 系統(tǒng)控制原理

控制系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，上位機(jī)為PC機(jī)通信，編寫代碼，數(shù)據(jù)處理等，代碼根據(jù)伺服閥的CAN協(xié)議編寫；下位機(jī)為整個(gè)控制系統(tǒng)。原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制原理示意圖

在程序控制中，將伺服閥1設(shè)置為主機(jī)，伺服閥2設(shè)置為從機(jī)。在控制板上操作相應(yīng)按鍵，單片機(jī)調(diào)取閥1的ID和開(kāi)度信息，并將其傳回到控制器中；然后采用定時(shí)中斷對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，利用主從控制算法，調(diào)取閥2的ID，將位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇臋C(jī)閥2作為輸入，使閥2跟隨閥1，從而達(dá)到同步控制和讀取兩個(gè)伺服閥開(kāi)度的目的。其程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程框圖

2.3 控制算法

為保證系統(tǒng)的精確度，一般采用交叉耦合算法或模糊PID算法對(duì)伺服閥系統(tǒng)進(jìn)行控制。交叉耦合算法是把兩個(gè)伺服閥的開(kāi)度信息進(jìn)行對(duì)比，并且把獲得的開(kāi)度差值當(dāng)作外加的反饋信號(hào)[7]。模糊PID算法可以對(duì)參數(shù)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且制定出相應(yīng)的控制策略[8]，在AMESim中進(jìn)行建模[9-10]并仿真，模糊PID 控制系統(tǒng)如圖5所示。為保證系統(tǒng)維持在最好的條件范圍之內(nèi)，本文選用模糊PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。

3 測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)利用此套雙閥同步控制系統(tǒng)，通過(guò)程序控制其閥體開(kāi)度分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%，通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)反饋的兩個(gè)閥體的開(kāi)度，及傳感器傳回的后坐阻力大小，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合后得出后坐力曲線如圖6；分別對(duì)有無(wú)閥控裝置時(shí)，其火炮的后坐阻力進(jìn)行仿真，將加入此同步控制系統(tǒng)時(shí)的后坐阻力曲線，與普通閥控系統(tǒng)，以及無(wú)閥控系統(tǒng)時(shí)的曲線做對(duì)比，有關(guān)曲線如圖7。

圖6曲線表明，位移為0時(shí)閥控系統(tǒng)處于未工作狀態(tài)；當(dāng)位移大于0時(shí)，閥控系統(tǒng)開(kāi)始工作：后坐位移一定時(shí)，隨著開(kāi)度的增大，后坐阻力逐漸減小；但是當(dāng)后坐阻力減小到一定程度時(shí)，后坐位移越大，后坐阻力也隨之增大。這也說(shuō)明了閥值開(kāi)度存在一個(gè)最優(yōu)值，而并不是越大越好或者越小越好。

圖5 模糊PID 控制系統(tǒng)示意圖

圖6 雙閥同步控制系統(tǒng)的開(kāi)度和后坐阻力曲線

觀察圖7中不同曲線，加入此同步控制系統(tǒng)的第一個(gè)后坐阻力峰值明顯比普通閥控裝置和未加閥控系統(tǒng)時(shí)的小。同時(shí)，加入同步控制閥控系統(tǒng)的曲線，在達(dá)到峰值后明顯更平穩(wěn)，后坐阻力峰值從 170 000 N左右降到了 130 000 N左右，消除峰頂效果更好。由此可以證明：加入此同步控制系統(tǒng)比普通閥控裝置、未加閥控系統(tǒng)效果更好，減小后坐阻力的能力更加突出。

4 結(jié)論

1) 將火炮反后坐裝置中傳統(tǒng)的需要單個(gè)調(diào)節(jié)的液壓伺服閥，通過(guò)CAN總線的連接，運(yùn)用程序指令和顯示屏對(duì)兩個(gè)伺服閥的閥體開(kāi)度進(jìn)行同步控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，得出后坐力曲線和最優(yōu)閥體開(kāi)度；

2) 加入了雙閥同步控制系統(tǒng)的反后坐測(cè)試，與傳統(tǒng)閥控反后坐系統(tǒng)結(jié)論基本一致，相對(duì)傳統(tǒng)閥控系統(tǒng)，減小后坐阻力的能力更強(qiáng)。且操作上比傳統(tǒng)的人工換閥口測(cè)開(kāi)度更方便，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)反饋功能。