车载发射平台液压系统控制策略研究

作     者：杨贵超 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：博士

导师姓名：乐贵高;姚建勇

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0826[工学-兵器科学与技术] 

主      题：车载发射平台 模型不确定性 位置跟踪控制 自适应控制 鲁棒控制 输出响应控制 时滞补偿 

摘      要：车载发射武器具有良好的机动打击能力而广泛应用于现代化战争中。为了有效地对敌方目标产生震慑及毁伤,车载发射平台上通常会装载大负载的武器,并且往往会选取具有输出力/力矩大、功重比高、响应快及抗负载能力强等突出优点的电液伺服系统作为其作动系统。本文所研究的车载飞行器发射平台采用液压系统来实现飞行器发射前的姿态调平以及方位角、俯仰角的调转,同时来实现飞行器发射后相关动作的撤收功能,而本文主要研究飞行器在方位角和俯仰角调转的过程中所面临的主要控制问题。该车载发射平台液压系统采用径向柱塞液压马达通过齿轮减速装置带动发射装置旋转到预设的方位角,系统中不仅存在着齿轮传动的齿隙,还存在着发射装置转动惯量、运动副之间的粘性摩擦系数、内泄漏系数、控制阀流量增益等参数不确定性以及未建模动态、外干扰等不确定性非线性,严重制约了其方位角的跟踪性能。飞行器俯仰角的调转主要是通过单出杆液压缸执行器来实现的,由于单出杆液压缸结构本身的不匹配性以及系统中存在的诸多模型不确定性、结构非线性等因素使得基于此模型进行高精度俯仰角跟踪的控制策略设计变得困难。同时,为了缩短飞行器发射前的准备时间以及发射后的撤收时间进而提升该车载武器系统的战场生存能力,迫切需要提升系统的输出响应速度。此外,系统中不可避免存在的输入时滞也会影响其控制性能。基于以上分析,本文主要以车载发射平台中的液压方位和俯仰回转系统为研究对象,瞄准当前迫切需要解决的相关控制问题进行控制策略的设计及验证,在以下几个方面开展研究工作:(1)建立了车载发射平台液压方位回转系统的非线性数学模型,为了方便后续控制策略的设计该模型把齿轮传动中主、从动轮之间的齿隙考虑为连续的模型,为了使所建立的系统非线性数学模型对其它液压系统也具有更宽泛的借鉴意义,该模型充分考虑了系统中控制阀的流量非线性、压力动态非线性等因素。同时,建立了车载发射平台液压俯仰回转系统的非线性数学模型,充分考虑了系统中单出杆液压缸的压力动态强非线性、机械结构非线性以及运动副之间的摩擦非线性等因素。通过建立尽可能描述其真实物理模型的车载发射平台液压方位和俯仰回转系统模型,为后面进行控制策略的设计奠定基础。(2)针对考虑同时存在参数不确定性以及不确定性非线性影响的车载发射平台液压方位回转系统的方位角跟踪控制,通过结合自适应控制以及非线性积分鲁棒控制,设计了同时具有参数自适应能力以及干扰鲁棒性能的非线性鲁棒控制策略。该连续控制策略利用了系统的全状态信息并通过自调整的方法估计外干扰等扰动的上界而不需要预先已知其上界信息,同时能够保证系统的方位角渐近地跟踪其期望的指令,实现其高精度跟踪性能。(3)基于液压俯仰回转系统的非线性数学模型,为了处理系统中的控制阀流量增益、液压油弹性模量、内泄漏等参数不确定性以及发射装置运动学动态中的非匹配不确定性非线性并实现其高精度俯仰角跟踪能力,利用自适应控制并融合基于系统误差符号积分的鲁棒控制开展非线性控制策略的设计,在不需要预先知道外干扰等扰动信息上界的情况下获得了系统的渐近跟踪性能。(4)武器系统输出响应速度的快速性对作战具有重要的意义,为了提高液压方位回转系统方位角跟踪的快速响应能力,从保证控制策略的瞬态性能和稳态性能两个方面来进行研究。通过设计鲁棒自适应控制策略处理系统中的各种模型不确定性,同时在设计的过程中利用误差预设性能函数能够在一定程度上调整所设计控制策略的瞬态和稳态性能,保证系统输出获得快速响应能力。(5)由于液压方位回转系统中控制阀、执行器以及传感器等元件加工制造、性能的影响,不可避免的使系统的实际控制输入存在滞后的现象。为了使存在大的输入时滞的情况下系统的控制性能不受影响,分别基于非线性积分鲁棒以及基于自适应控制的径向基(RBF)神经网络设计了能够同时处理系统中的外干扰以及常值输入时滞的时滞补偿非线性控制策略。(6)基于传感器信息充分的双出杆液压缸实验平台,进行了所有设计的车载发射平台液压系统控制策略的验证,同时对其控制性能进行了分析。同时,基于负载压力传感器缺失的车载发射平台液压方位回转系统进行了相关控制策略的验证及性能分析。