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基于扰动补偿的弹丸协调臂位置跟踪控制研究

基于扰动补偿的弹丸协调臂位置跟踪控制研究

作者：潘润超南京理工大学

学位级别：硕士

弹丸协调臂作为弹药自动装填系统中的一个重要部件,承担着将弹丸从接弹位协调到输弹位的重要作用。弹丸协调臂系统运动过程中存在系统参数变化大、外界未知冲击振动和强非线性等特点,使协调器的高精度运动控制器设计变得困难,因此弹丸... 详细信息

弹丸协调臂作为弹药自动装填系统中的一个重要部件,承担着将弹丸从接弹位协调到输弹位的重要作用。弹丸协调臂系统运动过程中存在系统参数变化大、外界未知冲击振动和强非线性等特点,使协调器的高精度运动控制器设计变得困难,因此弹丸协调臂控制策略的研究对提高火炮射速具有重要意义。本文研究内容主要关于以下几点:（1）对弹丸协调臂系统进行动力学分析,进行协调臂整体的力矩平衡分析和运动支点的速度分析,得到油缸驱动力与协调臂加速度之间关系式;采用Stribeck摩擦模型模拟实际液压油缸摩擦,结合液压流量方程与连续性方程得到了液压部分的动力学方程,最终推导出系统状态方程。（2）通过Matlab/AMEsim搭建联合仿真平台,为了校核AMEsim模型,选取了其中粘性摩擦系数、弹性模量等10个不确定性参数,通过Isight组合优化策略分别选取PSO粒子群优化算法和NLPQL梯度优化算法进行优化,最后与实际位移曲线对比验证了优化后模型的准确性。（3）分析电液系统非线性特性,在常规PID控制无法满足条件的情况下,提出自适应滑模控制算法,设计合适自适应律保证参数变化有界和设计趋近律保证趋近运动品质;在此基础上,为了减少系统切换项增益,设计观测器对扰动项进行估计并在控制项中进行补偿;最后为了系统状态和误差能在有限时间内收敛以及减少系统抖振,设计了一种基于有限时间观测器的全局快速Terminal滑模控制,仿真结果验证了上述控制算法的控制性能。（4）搭建弹丸协调臂实验平台,在实际台架中进行控制器性能验证,在协调臂协调不同角度情况下,对系统输出位移曲线和控制电压曲线等进行分析,实验结果证明了协调臂在相应控制算法下动态精度和稳态精度较高,系统抖振较小,可以满足实际工作需求。

关键词：弹丸协调臂电液伺服系统自适应滑模扰动观测器 Terminal滑模

基于无位置传感器控制的弹丸协调臂双电机驱动系统设计

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基于无位置传感器控制的弹丸协调臂双电机驱动系统设计

作者：李霄翔南京理工大学

学位级别：硕士

弹丸协调臂在现代火炮自动供输弹系统中承担着重要作用。其到位精度直接关系到弹射输弹的卡膛姿态,进而影响全炮的射击精度。而协调臂将弹丸协调到位的工作内容决定了其运作时间直接占用主时序,从而影响全炮的射速。因此,对弹丸协调臂... 详细信息

弹丸协调臂在现代火炮自动供输弹系统中承担着重要作用。其到位精度直接关系到弹射输弹的卡膛姿态,进而影响全炮的射击精度。而协调臂将弹丸协调到位的工作内容决定了其运作时间直接占用主时序,从而影响全炮的射速。因此,对弹丸协调臂驱动系统的可靠性进行研究具有重大意义。本文采用直接减少控制环节的方式来提高协调臂驱动系统的可靠性。位置传感器作为协调臂最终位置信号的反馈装置,一直是传统闭环控制回路中不可缺少的一环。若能够在去除位置传感器的同时保证闭环控制性能,就可以大幅提高驱动系统可靠性。本文以基于凸优化的无位置传感器驱动技术为切入点,结合模型预测控制(MPC)和高频信号注入法,创造性的提出了COST监视器(凸优化算法中迭代求解后的残差),从而形成了自适应的无位置传感器驱动策略,使得无位置传感器驱动技术在弹丸协调臂电机驱动系统中的应用成为了可能。本文的主要研究内容包括以下几个部分:(1)详细介绍了弹丸协调臂及其驱动系统的基本组成,详细分析了所采用的双电机驱动策略的优势所在。根据其工作特性列写机械部分运动方程以及电机部分电磁方程。进一步推导弹丸协调臂双电机驱动系统的机电联合状态空间方程。(2)对弹丸协调臂双电机驱动系统进行仿真建模。采用双电机同步驱动策略、三环驱动模式、PI控制模型、电机矢量控制方案以及脉宽矢量调制方法建立了伺服电机驱动的仿真模型,并与机械部分联合仿真。通过实验法对所建仿真模型进行参数校核,初步确定了各关键参数的取值。(3)针对现有无位置传感器驱动技术存在的不足,对其进行算法设计。以凸优化理论为基础,高频信号注入法为辅助,建立了全速度范围的位置估计方法,为位置环控制做铺垫。在此基础上进一步采用模型预测控制并提出了COST监视器,实现了电机位置估计状态的实时反馈。在此基础上结合高频信号注入以及模型预测控制算法实现了自适应的参数调整。最终大大提高了无位置传感器电机驱动系统的整体性能。(5)针对所提出的驱动策略,搭建了单电机速度环测试台架。实验完成了所提出驱动策略对高速、低速、零转速以及速度阶跃信号输入的响应测试。实验结果表明,所提出的自适应无位置传感器驱动策略具备位置环控制的能力,较之于传统无位置传感器驱动策略,其位置估计以及运动控制的综合性能更优。

关键词：无位置传感器弹丸协调臂 COST监视器凸优化模型预测控制

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弹丸协调臂的RBF神经网络自适应滑模控制

机械与电子 2019年第11期37卷 58-62页

作者：骆继发李志刚岳才成南京理工大学机械工程学院江苏南京210094 中国北方工业有限公司军贸技术研究院北京100053

针对某大口径火炮弹丸协调臂电液伺服系统的位置控制问题,提出一种基于神经网络最小参数学习法的RBF网络自适应滑模控制方法。结合RBF神经网络具有局部逼近特性和神经网络最小参数学习法调节简单的优点,以电液伺服系统的状态为神经网络... 详细信息

针对某大口径火炮弹丸协调臂电液伺服系统的位置控制问题,提出一种基于神经网络最小参数学习法的RBF网络自适应滑模控制方法。结合RBF神经网络具有局部逼近特性和神经网络最小参数学习法调节简单的优点,以电液伺服系统的状态为神经网络的输入,通过选取合适的参数,以神经网络的输出逼近系统的未知理想控制律。引入鲁棒项,保证控制策略的稳定性,并采用非线性函数调整反馈项参数的变化,保证收敛速度。仿真结果表明:控制算法在系统参数大范围变化的情况下能够保证弹丸协调臂的运动精度,并具有较好的鲁棒性。

关键词：弹丸协调臂电液伺服系统 RBF神经网络最小参数学习法滑模控制

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基于改进自适应趋近律的弹丸协调臂滑模控制

机械与电子 2021年第4期39卷 43-48页

作者：潘润超李志刚南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

针对某火炮弹丸协调臂电液伺服系统在传统滑模控制趋近律下存在抖振现象和收敛速度慢等问题,提出一种基于改进自适应趋近律的弹丸协调臂滑模控制。当系统状态变量距离切换面较远的时候,幂次项起主要作用;当系统状态变量距离切换面较近时... 详细信息

针对某火炮弹丸协调臂电液伺服系统在传统滑模控制趋近律下存在抖振现象和收敛速度慢等问题,提出一种基于改进自适应趋近律的弹丸协调臂滑模控制。当系统状态变量距离切换面较远的时候,幂次项起主要作用;当系统状态变量距离切换面较近时,自适应变速项起主要作用,随着状态变量变化自适应调节变速项系数,直到状态变量收敛到稳定点。当系统存在参数不确定性和外界扰动时,滑模状态变量可在有限时间收敛到边界层宽度为2.6的稳定误差界内。仿真结果表明,控制策略能有效提高系统的动态精度和到位精度,提高系统的鲁棒性。

关键词：弹丸协调臂改进趋近律电液伺服系统自适应滑模控制

基于干扰观测器的弹丸协调臂Terminal滑模控制

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机械与电子 2021年第1期39卷 62-66页

作者：潘润超李志刚管佳伟南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

为了解决某火炮弹丸协调臂电液伺服系统位置控制精度问题和鲁棒性问题,提出了一种基于扰动观测器的弹丸协调臂Terminal滑模控制策略。推导出弹丸协调臂电液伺服系统的动力学方程,将系统的参数不确定性以及外界扰动处理为干扰项。采用指... 详细信息

为了解决某火炮弹丸协调臂电液伺服系统位置控制精度问题和鲁棒性问题,提出了一种基于扰动观测器的弹丸协调臂Terminal滑模控制策略。推导出弹丸协调臂电液伺服系统的动力学方程,将系统的参数不确定性以及外界扰动处理为干扰项。采用指数趋近的干扰观测器进行在线观测并在控制律中进行补偿,提高了系统的鲁棒性。同时为了克服传统滑模控制在线性滑模面条件下状态渐进收敛导致无法在有限时间内到达平衡状态的特点,设计了一种全局快速Terminal滑动模态,使系统在有限时间内到达滑模面,系统状态在有限时间内迅速收敛到平衡状态,最后利用Lyapunov证明全局稳定性。仿真结果证明,该控制策略能对电液伺服系统不确定性和干扰具有很好的鲁棒性,且能明显提高弹丸协调臂动态精度与稳态精度。

关键词：弹丸协调臂电液伺服系统干扰观测器 Terminal滑模鲁棒性

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基于指数收敛观测器的协调臂自适应滑模控制

兵器装备工程学报 2021年第4期42卷 53-57,67页

作者：潘润超李志刚南京理工大学机械工程学院南京210094

提出了一种基于扰动观测器的弹丸协调臂电液伺服系统自适应滑模控制方法。设计干扰观测器在线观测系统扰动大小并进行补偿,从而有效降低切换增益;设计自适应律不断调整系统参数以适应对象变化,并采用一种映射自适应算法保证估计参数有界... 详细信息

提出了一种基于扰动观测器的弹丸协调臂电液伺服系统自适应滑模控制方法。设计干扰观测器在线观测系统扰动大小并进行补偿,从而有效降低切换增益;设计自适应律不断调整系统参数以适应对象变化,并采用一种映射自适应算法保证估计参数有界;为了加快趋近速率,设计了基于指数趋近律的滑模控制方法,保证在大阶跃情况下系统仍然能以较大的速度趋近于滑动模态。仿真结果表明该控制策略有较好的动态跟踪性能和鲁棒性。

关键词：弹丸协调臂电液伺服系统干扰观测器自适应滑模控制