基于迭代學(xué)習(xí)的供輸彈系統(tǒng)協(xié)調(diào)器控制研究

胡 鑫，靳小軍，潘 軍，趙宇和

(西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽 712099)

供輸彈系統(tǒng)是中大口徑自行火炮的關(guān)鍵系統(tǒng)之一［1-3］，它可以大幅度提高自行火炮的裝填速度，從而提高火炮的射速。某大口徑自行火炮自動(dòng)裝填系統(tǒng)由彈倉(cāng)、藥倉(cāng)、供彈機(jī)、協(xié)調(diào)器和輸彈機(jī)組成。供彈機(jī)負(fù)責(zé)將彈倉(cāng)中的彈丸輸送到協(xié)調(diào)器的托彈盤上。協(xié)調(diào)器控制托彈盤翻入輸彈線，將彈丸運(yùn)送到輸彈線上。輸彈機(jī)負(fù)責(zé)將輸彈線上的彈丸推入炮膛。輸彈過程中，輸彈機(jī)將彈丸強(qiáng)制推送一定距離，彈丸獲得一定的速度后靠慣性運(yùn)動(dòng)，以一定的速度卡膛。彈丸的卡膛一致性對(duì)彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)性能和彈丸出炮口時(shí)的初速有較大影響，從而影響火炮的射擊精度［4-5］。影響彈丸卡膛一致性的因素主要包括輸彈機(jī)強(qiáng)制輸彈階段的末速度和彈丸軸線與身管軸線的位置誤差［6］，其中彈丸軸線與身管軸線的位置誤差由協(xié)調(diào)器的托彈盤翻入輸彈線的控制精度決定。目前，托彈盤翻入輸彈線通常采用行程開關(guān)控制，由于行程開關(guān)的位置受到火炮沖擊振動(dòng)的影響，因此會(huì)影響托彈盤翻入輸彈線的控制精度，從而影響彈丸的卡膛一致性，影響火炮的射擊精度。為了提高彈丸的卡膛一致性，對(duì)托彈盤翻入輸彈線的控制適宜采用閉環(huán)控制。目前，閉環(huán)控制通常采用PID 算法，PID 算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，但它對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)比較敏感，位置控制精度容易受到協(xié)調(diào)器機(jī)械狀態(tài)的影響。

迭代學(xué)習(xí)控制不依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，能在系統(tǒng)運(yùn)行過程中根據(jù)前一次的控制輸入和跟蹤誤差調(diào)整本次的控制輸入，使得系統(tǒng)的輸出趨向期望輸出。迭代學(xué)習(xí)控制實(shí)際上是在控制過程中能不斷地完善自己，使控制效果越來越好，它的控制精度受協(xié)調(diào)器機(jī)械狀態(tài)的影響較小，特別適合具有重復(fù)運(yùn)動(dòng)特性的控制系統(tǒng)?？紤]到托彈盤翻入輸彈線具有重復(fù)運(yùn)動(dòng)特征，而且迭代學(xué)習(xí)控制在機(jī)械手控制等具有重復(fù)運(yùn)動(dòng)特征的控制領(lǐng)域獲得了很好的控制效果，因此本文將迭代學(xué)習(xí)控制用于協(xié)調(diào)器中的托彈盤翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制，采用迭代學(xué)習(xí)控制能夠有效抑制由于協(xié)調(diào)器機(jī)械狀態(tài)變化而導(dǎo)致的托彈盤翻入輸彈線位置誤差變大的問題。

1 迭代學(xué)習(xí)控制原理

迭代學(xué)習(xí)控制的原理是利用控制系統(tǒng)先前的控制經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)被控系統(tǒng)的期望輸出和實(shí)際輸出，來尋找一個(gè)理想的輸入特性曲線，使被控對(duì)象產(chǎn)生期望運(yùn)動(dòng)?！皩ふ摇崩硐胼斎胩匦郧€的過程也就是對(duì)被控對(duì)象作反復(fù)訓(xùn)練的過程，這一過程的數(shù)學(xué)描述為:在有限的時(shí)間t∈(0，T)內(nèi)，已知被控對(duì)象的期望響應(yīng)yd(t)，t∈(0，T)和每次運(yùn)行的初始狀態(tài)條件，求解某種給定的輸入ud(t)，t∈(0，T)，使其響應(yīng)逼近yd(t)，t∈(0，T)。迭代學(xué)習(xí)控制的模型如圖1 所示。

圖1 迭代學(xué)習(xí)控制的模型

圖1中，下標(biāo)k 表示迭代學(xué)習(xí)的次數(shù)，Gc是被控對(duì)象，ILC 是迭代學(xué)習(xí)控制器。在第k 次運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的輸出誤差ek(t)= yd(t)- yk(t)。第k+1 次的控制量等于第k 次的控制量加上第k 次輸出誤差的校正量，即uk+1(t)= uk(t)+L(ek(t))，L 為線性或非線性算子。迭代學(xué)習(xí)控制器可以采用不同的學(xué)習(xí)律，不同的學(xué)習(xí)律決定計(jì)算輸出誤差校正量的算子不同，常見學(xué)習(xí)律的形式有P 型、PI 型、PD 型和PID 型。

迭代學(xué)習(xí)控制分為開環(huán)學(xué)習(xí)和閉環(huán)學(xué)習(xí)。開環(huán)PID 迭代學(xué)習(xí)算法中，第k +1 次的控制量等于第k 次的控制量加上第k 次輸出誤差的PID 校正項(xiàng)，即

閉環(huán)PID 迭代學(xué)習(xí)控制算法中，第k +1 次的控制量等于第k 次的控制量加上當(dāng)前輸出誤差的PID 校正項(xiàng)，即

在式(1)和式(2)中:kp為比例因子;ki為積分因子;kd為微分因子。迭代學(xué)習(xí)控制算法一般的收斂條件是:在t∈(0，T)內(nèi)，‖ek(t)‖＜ε，ε 為允許的跟蹤精度。

迭代學(xué)習(xí)控制算法可以克服機(jī)械狀態(tài)的變化對(duì)位置控制精度的不利影響。與普通控制器不同，迭代學(xué)習(xí)控制器中有一個(gè)存儲(chǔ)單元，用于將每次的輸入及輸出誤差都保存在存儲(chǔ)器中，并刷新前次的控制量，在下次控制時(shí)可調(diào)用已保存的控制輸入并根據(jù)迭代學(xué)習(xí)律做相應(yīng)的調(diào)整后作為速度環(huán)的輸入，以達(dá)到通過調(diào)整控制輸入來使系統(tǒng)精確跟蹤理想輸出的目的。

2 迭代學(xué)習(xí)控制器設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器的托彈盤翻入輸彈線由永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，本文設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)采用全數(shù)字三環(huán)控制，即位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)。全數(shù)字三環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2 所示。

圖2 全數(shù)字三環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖

速度環(huán)以位置控制器發(fā)出的控制量作為輸入，以速度傳感器測(cè)得的托彈盤翻轉(zhuǎn)速度作為反饋。電流環(huán)以速度控制器發(fā)出的控制量作為輸入，以霍爾傳感器測(cè)得的永磁同步電機(jī)定子電流作為反饋。位置環(huán)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器，獲得托彈盤翻入的角度。

速度控制器和電流控制器采用PI 控制器，PI 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法易于理解和實(shí)現(xiàn)、參數(shù)調(diào)節(jié)方便、有較好的控制精度、可靠性高，被普遍應(yīng)用在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中。位置控制器采用采用閉環(huán)PD 型迭代學(xué)習(xí)控制律，閉環(huán)PD型迭代控制律的表達(dá)式

速度環(huán)和電流環(huán)帶寬與位置環(huán)相比是數(shù)量級(jí)的差別，因此假設(shè)速度環(huán)和電流環(huán)可以實(shí)現(xiàn)理想跟蹤，只考慮位置環(huán)，則圖2 可簡(jiǎn)化為如圖3 所示的結(jié)構(gòu)框圖。圖3 中Gc為速度控制器和電流控制器的傳遞函數(shù)，Gp為被控對(duì)象。

圖3 迭代學(xué)習(xí)控制器結(jié)構(gòu)框圖

3 仿真

圖4 協(xié)調(diào)器控制系統(tǒng)仿真框圖

圖5 40 次迭代學(xué)習(xí)控制過程中誤差均方根的收斂過程

從圖5 中可以看出:隨著迭代學(xué)習(xí)次數(shù)的增加，協(xié)調(diào)器控制的位置誤差越來越小，位置控制精度越來越高，20 次迭代后，位置控制的誤差趨于穩(wěn)定，有利于提高彈丸卡膛一致性。

4 結(jié)束語

針對(duì)托彈盤翻入輸彈線通常采用行程開關(guān)控制，而行程開關(guān)的位置容易受到火炮沖擊振動(dòng)的影響，從而影響彈丸的卡膛一致性的問題，本文根據(jù)托彈盤翻入輸彈線控制具有重復(fù)運(yùn)動(dòng)特征，設(shè)計(jì)了基于迭代學(xué)習(xí)控制的位置控制器，仿真結(jié)果表明迭代學(xué)習(xí)控制器保證了位置控制誤差的一致性，從而有利于提高彈丸卡膛一致性。考慮到供輸彈系統(tǒng)的多個(gè)子系統(tǒng)均具有重復(fù)運(yùn)動(dòng)特征，后續(xù)研究中還可以將迭代學(xué)習(xí)控制應(yīng)用在供輸彈系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)中，提高供輸彈系統(tǒng)的性能。

［1］梁輝，馬春茂，潘江峰，等.大口徑火炮彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀和趨勢(shì)［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2010(3):103-107.

［2］劉琮敏，孫大鵬，范志國(guó)，等.中大口徑火炮彈藥自動(dòng)裝填技術(shù)［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2013(3):93-96.

［3］徐達(dá)，張麗明，張?jiān)铝?大口徑自行火炮自動(dòng)裝填系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，21(3):221-224.

［4］石海軍，錢林方，徐亞棟，等.火炮卡膛一致性問題研究［J］.彈道學(xué)報(bào)，2012，24(4):77-81.

［5］李偉，馬吉?jiǎng)?，孫河洋，等.彈丸慣性卡膛沖擊問題動(dòng)力學(xué)研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2011，30(5):161-163.

［6］趙良偉，王惠源，張鵬軍，等.火炮慣性輸彈初始參數(shù)對(duì)彈丸卡膛穩(wěn)定性的影響［J］. 中北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，35(2):111-116.