半自動(dòng)輸彈機(jī)模糊控制系統(tǒng)

王惠源，陸明，2，張鵬軍，趙良偉，3，盧家輝

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051；2.中國(guó)航天科工集團(tuán)六〇一研究所，呼和浩特010076；3.中國(guó)兵器裝備集團(tuán)二〇八研究所，北京102200；4.山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，太原030000）

半自動(dòng)輸彈機(jī)模糊控制系統(tǒng)

王惠源1，陸明1，2，張鵬軍1，趙良偉1，3，盧家輝4

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051；2.中國(guó)航天科工集團(tuán)六〇一研究所，呼和浩特010076；3.中國(guó)兵器裝備集團(tuán)二〇八研究所，北京102200；4.山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，太原030000）

針對(duì)某半自動(dòng)輸彈機(jī)系統(tǒng)實(shí)際的輸彈過(guò)程，提出了模糊控制系統(tǒng)的控制方案，根據(jù)本輸彈機(jī)系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)了模糊控制參數(shù)。運(yùn)用Matlab/Simulink仿真軟件分別對(duì)采用模糊控制的系統(tǒng)和采用普通PID控制算法的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到各系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線圖和抗干擾信號(hào)圖。對(duì)輸彈機(jī)進(jìn)行上炮試驗(yàn)，對(duì)比采用模糊控制的系統(tǒng)和采用普通PID控制算法的系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到采用模糊算法的輸彈機(jī)系統(tǒng)的卡膛一致性能很好的滿足要求，具有一定的實(shí)踐意義。

半自動(dòng)輸彈機(jī)，模糊理論，PID控制，Matlab/Simulink仿真

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，火力壓制一直是決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的重要因素，提高大口徑火炮發(fā)射的速度可以直接提高火力壓制強(qiáng)度，由此采用自動(dòng)裝填系統(tǒng)的半自動(dòng)輸彈機(jī)對(duì)火炮進(jìn)行快速裝填?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性直接關(guān)乎裝填一致性，因而影響射擊精度。

文獻(xiàn)［1］針對(duì)自行火炮半自動(dòng)裝填機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理存在的一些問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)半自動(dòng)裝填機(jī)構(gòu)中“恒力”輸彈對(duì)初速的影響進(jìn)行了分析和量化的研究，提出了解決“恒力”送彈問(wèn)題的方法和途徑。文獻(xiàn)［2-3］對(duì)于半自動(dòng)輸彈機(jī)工作原理、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、推彈速度（在不同射角下有相同的卡彈速度）進(jìn)行了分析計(jì)算。

隨著控制理論技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)將恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方案中，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)前饋和誤差的補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)控制精度和控制速度的大幅提高［4-6］。在半自動(dòng)裝填的實(shí)際應(yīng)用中，半自動(dòng)輸彈機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)屬于自適應(yīng)控制系統(tǒng)又簡(jiǎn)稱自適應(yīng)系統(tǒng)，它是給定信號(hào)隨時(shí)間的變化規(guī)律事先不能確定的控制系統(tǒng)，是以位移、速度或力、力矩等作為被控量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是一種反饋控制系統(tǒng)［7-8］。被控制量跟隨輸入量的變化而變化。而輸入量的變化規(guī)律是事先不能確定的。大多數(shù)火力控制過(guò)程都不同程度地存在非線性參數(shù)時(shí)變性模型的不確定性，模糊控制算法模型以其調(diào)整靈活、實(shí)用性較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較高、可靠性好、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在火力指揮控制領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其是在半自動(dòng)輸彈機(jī)控制中，具有優(yōu)于常規(guī)控制器的控制品質(zhì)。

1 模糊控制

模糊控制策略是利用人工智能的方法，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本方法，把相關(guān)操作人員的經(jīng)驗(yàn)條件、規(guī)則、操作用模糊集表示，并把這些相關(guān)的控制信息、有關(guān)規(guī)則作為知識(shí)存入控制器的知識(shí)庫(kù)中，依據(jù)不同的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，來(lái)調(diào)整方案，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

模糊控制器自整定是要找出PID 3個(gè)參數(shù)與系統(tǒng)誤差e和系統(tǒng)誤差率ec之間的模糊關(guān)系，以誤差e和誤差變化ec作為系統(tǒng)的輸入，不斷地檢測(cè)e和ec，利用模糊控制理論實(shí)時(shí)在線修改，來(lái)滿足不同的控制要求，使被控對(duì)象具有較好的動(dòng)態(tài)性能，這構(gòu)成了模糊PID控制器。

2 輸彈機(jī)控制系統(tǒng)方案的提出

系統(tǒng)的方案如下所示：輸彈機(jī)為柔性輸彈系統(tǒng)，輸彈機(jī)推彈時(shí)，與輸彈機(jī)垂直方向與炮身固聯(lián)的激光位移傳感器測(cè)得了輸彈時(shí)的垂直振動(dòng)，通過(guò)傳感器與工控機(jī)的串行通信，把輸彈機(jī)柔性體的振動(dòng)實(shí)時(shí)地傳遞到控制系統(tǒng)中。通過(guò)控制系統(tǒng)的模糊控制，輸彈機(jī)電機(jī)能夠根據(jù)響應(yīng)的振動(dòng)特性來(lái)作出最優(yōu)調(diào)節(jié)，使得每次輸彈結(jié)束以后彈丸的卡彈精度達(dá)到最優(yōu)，保證輸彈的一致性。如圖1所示。

圖中，當(dāng)輸彈機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行彈射裝填時(shí)，輸彈機(jī)本身為柔性體，會(huì)對(duì)行星輪系統(tǒng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動(dòng)干擾，進(jìn)而影響電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，要保證輸彈機(jī)慣性彈射階段的一致性，而簡(jiǎn)單的PID控制無(wú)法保證速度波動(dòng)小響應(yīng)時(shí)間快的特點(diǎn)，所以就必須對(duì)輸彈機(jī)進(jìn)行智能控制。

圖1 輸彈機(jī)結(jié)構(gòu)三維實(shí)體示意圖

3 輸彈機(jī)系統(tǒng)模型

3.1 輸彈機(jī)電機(jī)-負(fù)載系統(tǒng)模型分析

通過(guò)簡(jiǎn)化，把減速器、太陽(yáng)輪等結(jié)構(gòu)等效簡(jiǎn)化為一個(gè)齒輪箱。得到系統(tǒng)如圖2所示，其中通過(guò)調(diào)節(jié)電壓V的方法來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，以使輸出的負(fù)載角位移信號(hào)θL盡快地達(dá)到并穩(wěn)定。系統(tǒng)的參數(shù)在表1中給出：

圖2 輸彈機(jī)電機(jī)-負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 輸彈機(jī)電機(jī)-負(fù)載系統(tǒng)參數(shù)表

可以推導(dǎo)出微分方程組：

另外，由角位移與角速度之間關(guān)系可知：

如果選擇輸出信號(hào)y=［θLT］T，其中T為輸出轉(zhuǎn)矩，則輸出方程可以寫成：

3.2 輸彈機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)

圖3 輸彈機(jī)永磁交流電機(jī)矢矩控制系統(tǒng)

這種伺服系統(tǒng)能使電機(jī)在基速以下時(shí)，ids*被設(shè)定為0，功率因數(shù)為1，實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。

4 控制方案

4.1 輸彈機(jī)模糊控制PID控制器設(shè)計(jì)

一般的PID控制器方程的一般形式為：

其中控制偏差e（t）=r（t）-c（t），r（t）為理想給定值，c（t）為實(shí)測(cè)值。

把式（5）寫成傳遞函數(shù)的形式：

式中，TI為積分時(shí)間常數(shù)，KP為比例系數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。

常規(guī)PID參數(shù)整定方法：確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)KP、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD。一般可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定的方法：如經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。

由于該系統(tǒng)采用從內(nèi)到外分別為位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)多級(jí)等多環(huán)串聯(lián)控制結(jié)構(gòu)，三級(jí)調(diào)節(jié)器分別采用PI比例積分和P比例調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，所以此模型微分時(shí)間參數(shù)TD=0。

根據(jù)上文所述負(fù)載參數(shù)和電機(jī)參數(shù)，構(gòu)建整個(gè)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型，如圖4所示，控制系統(tǒng)采用對(duì)內(nèi)環(huán)引入前饋信號(hào)的方法給予前饋補(bǔ)償，來(lái)降低系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，達(dá)到快速響應(yīng)的目的。

圖4 PID控制器傳遞函數(shù)SIMULINK模型

4.2 模糊控制PID器設(shè)計(jì)

如下頁(yè)圖5所示，把輸入PID控制器的偏差e和偏差變化率ec同時(shí)輸入到模糊自適應(yīng)控制器中。圖5中的模糊控制器實(shí)際上是由兩個(gè)子模糊控制器對(duì)兩個(gè)參數(shù)KP、KI進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過(guò)模糊化、近似推理、清晰化以后，得到修正量ΔKP、ΔKI再代回PID控制器中。

圖5 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)定e，ec，KP、KI都服從正態(tài)分布。根據(jù)當(dāng)前誤差變化率ec和計(jì)算誤差e，對(duì)其模糊化，然后查詢兩個(gè)模糊控制查詢表獲得ΔKP、ΔKI，把得出的修正量ΔKP、ΔKI分別代入上述的PID控制器中，對(duì)兩個(gè)系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線修正，分別于初始的KP0、KI0相加得到整定以后的KP、KI，最后輸出控制量到被控對(duì)象。如果滿足系統(tǒng)的性能，則完成了控制，若不滿足則繼續(xù)調(diào)節(jié)參數(shù)。

設(shè)模糊控制器的輸入：偏差e和偏差變化率ec的論域都為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，語(yǔ)言值{負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（ZO）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PN）}，輸出修正量ΔKP、ΔKI的論域?yàn)閧0，1，2，3}，語(yǔ)言值{零（ZO）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PN）}，輸入輸出變量KP、KI的隸屬度函數(shù)采用的是三角函數(shù)［9-10］。

運(yùn)用Matlab工具箱Fis編輯模糊控制器對(duì)各輸入變量偏差e和偏差變化率ec輸出變量隸屬度函數(shù)和量化區(qū)間進(jìn)行編輯，可得模糊控制規(guī)則表，如表2所示。

表2 模糊規(guī)則表

5 仿真研究

在Matlab/Simulink環(huán)境下建立模糊PID控制框圖，如圖6、圖7所示。整個(gè)仿真模型由PID模塊、模糊控制器模塊、控制對(duì)象和輸入輸出等模塊組成。圖8給出了理想情況下模糊PID控制器與普通PID控制器的單位階躍響應(yīng)曲線，圖9給出了干擾情況下模糊PID控制器與普通PID的仿真結(jié)果。

圖6 輸彈機(jī)模糊控制系統(tǒng)框圖

由圖8可以看出采用普通PID控制策略的模型，轉(zhuǎn)速超調(diào)量大，而且速度波動(dòng)很大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性很差，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間也很長(zhǎng)。而運(yùn)用模糊PID算法的輸彈機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)，消除了電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)，電機(jī)的加速過(guò)程趨于平緩，轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也縮短了20%。因此，采用模糊PID控制策略能夠顯著改善臂式輸彈機(jī)控制系統(tǒng)的響應(yīng)性能。

在輸彈機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)，由于系統(tǒng)為柔性輸彈結(jié)構(gòu)，因此，存在系統(tǒng)振動(dòng)干擾信號(hào)。圖9是在電機(jī)運(yùn)行0.43 s時(shí)加入了振動(dòng)干擾脈沖信號(hào)，系統(tǒng)在0.57 s時(shí)就克服了干擾信號(hào)，達(dá)到又一次穩(wěn)態(tài)，中間僅耗時(shí)0.14 s，響應(yīng)迅速。結(jié)果表明，模糊PID是在常規(guī)PID算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)模糊推理系統(tǒng)，計(jì)算當(dāng)前的系統(tǒng)誤差e和系統(tǒng)誤差變化率ec，查詢模糊矩陣表對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。模糊PID控制能夠克服普通PID響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、超調(diào)量大、穩(wěn)態(tài)性能差的缺點(diǎn)，提高了控制質(zhì)量。

圖7 輸彈機(jī)位置環(huán)模糊PI控制子系統(tǒng)框圖

圖8 單位階躍響應(yīng)曲線

圖9 加入干擾信號(hào)仿真結(jié)果圖

6 試驗(yàn)論證

基于上文的仿真系統(tǒng)，本文進(jìn)行了上炮輸彈試驗(yàn)。對(duì)168發(fā)彈丸進(jìn)行裝填，針對(duì)不同射角，0°～70°每隔10°分1組，分為8組，每組7發(fā)，總共打3次。

首先采用一般PID控制系統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)?？◤椌炔?，為-2 mm～4 mm。出現(xiàn)了一定的掉彈現(xiàn)象，卡膛力的變化范圍為很大，卡膛一致性差。

其次采用了模糊PID控制算法的半自動(dòng)輸彈機(jī)系統(tǒng)，卡彈精度可以達(dá)到±1.5 mm。沒有掉彈現(xiàn)象，卡膛力的變化范圍小了很多，卡膛一致性明顯提高。試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如表3所示。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)模糊控制理論，設(shè)計(jì)了臂式輸彈機(jī)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了性能仿真。針對(duì)臂式輸彈機(jī)的快速響應(yīng)以及柔性輸彈機(jī)高抗干擾能力，將模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，并在Matlab/Simulink環(huán)境下分別對(duì)普通PID控制器和模糊PID控制器進(jìn)行仿真，結(jié)果表明模糊PID控制策略優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制器，響應(yīng)更快，抗干擾能力強(qiáng)，在臂式輸彈機(jī)控制系統(tǒng)中可以獲得更滿意的控制效果，對(duì)提高火炮射速和火炮射擊精度有一定的意義。

表3 試驗(yàn)總結(jié)表

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Semi-automatic Rammer Control System Based on Fuzzy Adaptive Control Theory

WANG Hui-yuan1，LU Ming1，2，ZHANG Peng-jun1，ZHAO Liang-wei1，3，LU Jia-hui4
（1.School of Mechatronics Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；
2.The 601st Institute of the Sixth Academy，China Aerospace Science&Industry Corporation，Hohhot 010076，China；
3.No.208 China Research Institute of China Ordnance，Beijing 102200，China；
4.China Ordnance Industry Group 247 Factory，Taiyuan 030000，China）

The paper analyzes the semi-automatic rammer practical ammunition ramming process，puts forward fuzzy control system，designs the control parameters of the fuzzy control system.The paper uses Matlab/Simulink software to simulate the fuzzy control system and the normal PID control system. Systems’unit step response curve and anti-disturbance signal curve is gotten.Doing the gun trials，comparing the two trial results，the semi-automatic rammer system that using fuzzy control algorithm solve the problem of the consistency of bayonet-chamber is gotten，it has some practical significance.

semi-automatic ramming，fuzzy control theory，PID control，Matlab/Simulink simulation

TP273；TJ303

：A

1002-0640（2015）01-0153-05

2013-11-15

2014-02-17

王惠源（1965-），男，河北清苑人，博士后，教授。研究方向：兵器發(fā)射理論與技術(shù)。