一種活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)彎道行走主動(dòng)差速自動(dòng)控制方法

李道平，劉 毅，吳齊才，邢 然，范 虹

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

一種活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)彎道行走主動(dòng)差速自動(dòng)控制方法

李道平，劉 毅，吳齊才，邢 然，范 虹

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

為確保某運(yùn)載型號(hào)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在包含直線軌道與圓弧形軌道的復(fù)雜軌道上完成運(yùn)載火箭的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)，為其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種彎道行走主動(dòng)差速自動(dòng)控制的方法。該方法通過采集輪組上安裝的絕對(duì)值編碼器的信息，確定每一個(gè)輪組在軌道上的精確位置信息，給定變頻器不同的輸出頻率，從而控制各輪組的主動(dòng)差速實(shí)現(xiàn)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在圓弧形軌道上的運(yùn)行及直軌彎軌之間的變軌運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在復(fù)雜軌道的平穩(wěn)行走，有效地提高了活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的性能。

活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)；驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)；速度控制；差速控制

0 引 言

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的重要組成部分，可以使運(yùn)載火箭平穩(wěn)、安全地在技術(shù)廠房與發(fā)射工位之間垂直轉(zhuǎn)運(yùn)。圖1為某航天發(fā)射基地軌道布置。

圖1 某活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)部分軌道布置

與以往運(yùn)載型號(hào)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)相比，該運(yùn)載型號(hào)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)需要在技術(shù)廠房與發(fā)射工位之間實(shí)現(xiàn)直線軌道、圓弧形彎曲軌道、彎軌直軌之間的變軌等多種形式的運(yùn)行，并且在運(yùn)行過程中不僅要在有限的時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)，還要保證活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上部運(yùn)載火箭的穩(wěn)定性和安全性。因此，該型號(hào)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在圓弧形彎曲軌道上的速度控制方法是該系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)之一，也是該裝置順利完成行走任務(wù)的一個(gè)重大難點(diǎn)，對(duì)該速度控制方法展開研究具有重大理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

中國(guó)已有活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)產(chǎn)品成熟產(chǎn)品，即 СZ-2F運(yùn)載火箭活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)。該活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)能夠完成箭體垂直轉(zhuǎn)運(yùn)過程的直線軌道運(yùn)行及微動(dòng)等功能，但是不具備彎道行走的能力。文獻(xiàn)[1]對(duì)帶有柔性機(jī)構(gòu)的活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)差速行走的可行性進(jìn)行了分析，但是沒有給出相關(guān)的差速控制方法；文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]對(duì)電動(dòng)汽車單個(gè)輪組差速控制方法進(jìn)行了分析，但是沒有給出帶有多個(gè)輪組的行走機(jī)構(gòu)的差速控制方法；文獻(xiàn)[4]～[6]對(duì)具有差速行走能力的多輪組起重機(jī)等工程機(jī)械設(shè)備的差速控制方法進(jìn)行了研究，但是由于其使用工況不同，其速度控制方法并不能滿足航天產(chǎn)品對(duì)精度、可靠性等性能指標(biāo)的需求。

彎道行走速度控制方法是驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容，其好壞對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能和性能有重要影響。為了滿足該型號(hào)運(yùn)載火箭垂直轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)的需求，提出一種彎道行走主動(dòng)差速自動(dòng)控制方法。該方法通過采集輪組上安裝的絕對(duì)值編碼器的信息，確定每一個(gè)輪組在軌道上的精確位置信息，從而控制各輪組的主動(dòng)差速實(shí)現(xiàn)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在圓弧形軌道上的運(yùn)行及直軌彎軌之間的變軌運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在復(fù)雜軌道的平穩(wěn)行走，有效提高了活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的性能。

1 系統(tǒng)組成

活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、控制面板、下位機(jī)、變頻器、限位傳感器和編碼器等設(shè)備組成。以某型號(hào)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)為例，上位機(jī)和控制面板將控制信號(hào)給定下位機(jī)，下位機(jī)利用Рrоfibus-DР總線控制變頻器驅(qū)動(dòng)16臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行，系統(tǒng)通過限位傳感器和絕對(duì)值編碼器反饋電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)直線軌道行走、彎曲軌道行走、精確定位和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 某活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖

2 彎道運(yùn)行速度控制方法

彎道行走速度控制方法利用臺(tái)體兩側(cè)的4個(gè)絕對(duì)值編碼器采集的脈沖值及每個(gè)輪組在活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上的位置計(jì)算活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)每個(gè)輪組在軌道上的精確位置信息，從而確定是否采用差速控制實(shí)現(xiàn)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的順利轉(zhuǎn)彎。整個(gè)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，在進(jìn)入彎道的過程中，每一對(duì)輪組進(jìn)入彎道即立刻采用差速控制，其他輪組速度仍為恒定；而在出彎道的過程中，每一對(duì)輪組出彎道時(shí)，即由差速改為同速運(yùn)行。在由同速和差速變換的過程中，根據(jù)下位機(jī)軟件的設(shè)置，速度控制始終保持處在同軸位置的兩個(gè)輪組轉(zhuǎn)彎角速度比一致，速度比為內(nèi)外彎的半徑比。

該方法的具體步驟如下：

а）步驟1：將行走裝置兩側(cè)處于同軸位置的兩個(gè)輪子看成一對(duì)輪組，則活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)共有8對(duì)輪組。以行走裝置的前沿為參考點(diǎn)計(jì)算每個(gè)輪組主動(dòng)輪圓心距臺(tái)體前沿的距離L，以圖3中的第i個(gè)輪組為例，輪組i的主動(dòng)輪圓心距臺(tái)體前沿的距離為L(zhǎng)i。

b）步驟2：計(jì)算某一轉(zhuǎn)彎點(diǎn)距軌道原點(diǎn)的距離S。以圖3第j個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)為例，該轉(zhuǎn)彎點(diǎn)距軌道原點(diǎn)的距離為Sj；

圖3 某一輪組進(jìn)彎位置示意

с）步驟3：當(dāng)發(fā)射平臺(tái)前沿與軌道原點(diǎn)處于同一位置啟動(dòng)時(shí)，計(jì)算活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的行走距離 P。設(shè)啟動(dòng)前絕對(duì)值編碼器脈沖值為 p0，每旋轉(zhuǎn)一周增加的脈沖值為Δp，當(dāng)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)運(yùn)行至某位置時(shí)采集到的絕對(duì)值編碼器脈沖值為p，則根據(jù)輪組半徑r，可計(jì)算出活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)運(yùn)行的行走距離P=2πr(p-p0)/Δp。

隨活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的運(yùn)行，P也隨之增加，當(dāng)P達(dá)到P=Li+Sj時(shí)，即可確定第i個(gè)輪組到達(dá)第j個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，此時(shí)控制該輪組兩部電機(jī)進(jìn)行差速控制。

d）步驟 4：計(jì)算內(nèi)彎 V1與外彎的速度 V2。設(shè)內(nèi)彎與外彎的半徑分別為R1與R2，臺(tái)體中心的理想速度為V0，為保證內(nèi)外彎速度比為差速比，則臺(tái)體中心距軌道圓心距離Rm為

由式（2）計(jì)算內(nèi)彎速度為

同理，外彎速度為

е）步驟5：通過將絕對(duì)值編碼器采集的臺(tái)體運(yùn)動(dòng)位移P與其他輪組距臺(tái)體前沿的距離及轉(zhuǎn)彎點(diǎn)距軌道原點(diǎn)的位移進(jìn)行比較，可實(shí)現(xiàn)其他輪組在該轉(zhuǎn)彎點(diǎn)的差速控制。

f）步驟 6：出彎道過程與進(jìn)彎道過程相似，通過比較運(yùn)動(dòng)位移P與其他輪組距臺(tái)體前沿的距離及出彎點(diǎn)距軌道原點(diǎn)的位移進(jìn)行比較，可實(shí)現(xiàn)其他輪組在該轉(zhuǎn)彎點(diǎn)由差速控制轉(zhuǎn)為同速控制。

g）步驟7：臺(tái)體反向運(yùn)行時(shí)與之相似，僅絕對(duì)值編碼器計(jì)算的位移值由最大值逐漸減小，其他不變。

算法流程如圖4所示。

采用上述控制方法，可保證活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在進(jìn)入彎道的過程中每一對(duì)輪組進(jìn)入彎道時(shí)主動(dòng)給定差速速度信號(hào)，而處于直線軌道的輪組仍然給定同速速度信號(hào)；在出彎道的過程中，每一對(duì)輪組行駛出彎道后給定速度信號(hào)由差速變?yōu)橥?，而處于彎曲軌道?nèi)的輪組仍然給定差速速度信號(hào)。

圖4 活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)彎道控制算法流程

3 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

為驗(yàn)證上述控制策略的有效性，某型號(hào)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)已順利完成轉(zhuǎn)彎原理試驗(yàn)，試驗(yàn)軌道如圖5所示。

活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)給定速度10 m/min運(yùn)行，待速度運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)入彎曲軌道，全部進(jìn)入彎道后停止，然后在彎道上反向啟動(dòng)，待速度穩(wěn)定后出彎道，待輪組全部出彎道后減速停止。

圖6為活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)運(yùn)行過程中16臺(tái)電機(jī)的頻率（速度）曲線，圖7為活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)運(yùn)行過程中16臺(tái)電機(jī)的電壓曲線，圖8為活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)運(yùn)行過程中16臺(tái)電機(jī)的電流曲線。

圖5 某活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)試驗(yàn)軌道示意

從圖6中可以看出，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)位于直線軌道時(shí)，各電機(jī)速度基本相同，當(dāng)輪組進(jìn)入彎道后，雖然輪組依次給定為差速變化，但是由于受到機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，所有電機(jī)轉(zhuǎn)速呈一致差速變化，位于外軌的電機(jī)反饋頻率較大，實(shí)際轉(zhuǎn)速也較大，位于內(nèi)軌的電機(jī)反饋頻率也較小，實(shí)際轉(zhuǎn)速也較?。环聪蜻\(yùn)行相似，當(dāng)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)行駛出彎道時(shí)，給定電機(jī)頻率由差速變?yōu)橥?，?shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速也趨向于一致。

從圖7可以看出，在進(jìn)出彎道的過程中16臺(tái)電機(jī)電壓平穩(wěn)，無過電壓和欠電壓現(xiàn)象。

從圖8可以看出，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)進(jìn)彎之前，16臺(tái)電機(jī)電流平穩(wěn)，當(dāng)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在進(jìn)彎的過程中，由于先進(jìn)入彎道的電機(jī)采用差速控制，而處于彎道外的電機(jī)仍為同速。因此，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，電機(jī)電流略有增大，但是仍處于正常運(yùn)行的安全值內(nèi)，待全部電機(jī)進(jìn)入彎道后，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)各輪組呈差速運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)，電機(jī)電流也趨向于平穩(wěn)。出彎道過程與進(jìn)彎道過程相似，在出彎的過程中，由于先出彎的輪組給定同速運(yùn)行，而位于彎道內(nèi)的輪組給定為差速，同時(shí)受到機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，各電機(jī)電流略有增大，但是仍處于正常運(yùn)行的安全值內(nèi)，當(dāng)全部輪組行駛出彎道后，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)各輪組呈同速運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)，電機(jī)電流也趨向于平穩(wěn)。

圖6 活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)行走過程的電機(jī)頻率（速度）

圖7 活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)行走過程的電機(jī)電壓

圖8 活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)行走過程的電機(jī)電流

從圖6～8中可以看出，整個(gè)運(yùn)行的過程中，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)各電機(jī)性能良好，無過電壓、欠電壓、大負(fù)載沖擊和相互拖動(dòng)的現(xiàn)象。

試驗(yàn)證明，該速度控制方法可有效實(shí)現(xiàn)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在彎曲軌道上的順利行走。

4 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在帶有直線軌道和圓弧型軌道的復(fù)雜軌道上的順利行走，提出一種主動(dòng)差速自動(dòng)控制方法，該方法通過采集輪組上安裝的絕對(duì)值編碼器的信息，確定每一個(gè)輪組在軌道上的精確位置信息，從而給定電機(jī)不同的驅(qū)動(dòng)頻率，實(shí)現(xiàn)各輪組的主動(dòng)差速運(yùn)行。試驗(yàn)證明：該方法可有效實(shí)現(xiàn)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在彎曲軌道上的順利行走，為新型號(hào)運(yùn)載火箭的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)工作提供了有力保障。

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An Active Automatic Speed Control Method in Different Speeds on Crooked Railway of Drive Control System of Mobile Launch Platform

Li Dао-рing, Liu Yi, Wu Qi-саi, Xing Rаn, Fаn Ноng
(Веijing Institutе оf Sрасе Lаunсh Тесhnоl(xiāng)оgу, Веijing, 100076)

In оrdеr tо соmрlеtе thе vеrtiсаl trаnsроrt missiоn оf rосkеt in соmрlех trасk, inсluding strаight аnd winding trасk, аn асtivе аutоmаtiс sрееd соntrоl(xiāng) mеthоd in diffеrеnt sрееds оn сrооkеd rаilwау оf drivе соntrоl(xiāng) sуstеm оf mоbilе lаunсh рlаtfоrm is dеsignеd. It соl(xiāng)lесtеs thе рulsе оf аbsоl(xiāng)utе vаluе оf еnсоdеr оn whееls tо gеt thе роsitiоns оf еvеrу раir оf whееls аnd соntrоl(xiāng)ls thе sрееd оf whееls, whiсh асhiеvеs thе mоvаblе lаunсh рlаtfоrm running оn соmрlех trасk smооthlу, imрrоvеs thе реrfоrmаnсе оf lаunсh рlаtfоrm еffесtivеlу.

Моbilе lаunсh рlаtfоrm; Drivе соntrоl(xiāng) sуstеm; Sрееd соntrоl(xiāng); Sрееd соntrоl(xiāng) in diffеrеnсе

V553

А

1004-7182(2016)06-0027-05 DОI：10.7654/j.issn.1004-7182.20160607

2015-12-20；

2016-09-13

李道平（1983-），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)與伺服控制