基于線性自抗擾技術(shù)的艦炮伺服系統(tǒng)仿真研究

馬曉賀，李翔宇

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

艦炮是裝備在艦艇上用于對海作戰(zhàn)、對空防御和對岸火力支援的重要武器之一。由于艦炮具有射速高、反應(yīng)快、持續(xù)作戰(zhàn)能力強(qiáng)、使用效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)，得到各國海軍重視[1]。隨著未來海戰(zhàn)的不斷變化，艦炮面臨著新的挑戰(zhàn)和要求，不斷推動著艦炮向著高精度、遠(yuǎn)射程的方向發(fā)展。艦炮伺服系統(tǒng)的控制精度直接影響著射擊精度。同時，艦炮伺服系統(tǒng)是一個負(fù)載變化大、非線性因素多、擾動強(qiáng)的非線性系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的PID控制算法難以實(shí)現(xiàn)高精度和強(qiáng)抗干擾性[2]。

本文在分析艦炮伺服系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)并對負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將線性自抗擾控制技術(shù)運(yùn)用到位置控制器中，利用Matlab/Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對比了PID，LADRC和Model-assisted LADRC控制算法的控制效果。

經(jīng)過聯(lián)合藥物治療后,觀察組患者的舒張壓及收縮壓為(70.04±5.33)mm Hg、(89.62±8.47)mm Hg,對照組患者的舒張壓及收縮壓為(102.25±8.14)mm Hg(140.52±10.09)mm Hg,兩組差異明顯,具有統(tǒng)計學(xué)意義,P<0.05,見表1。

1 伺服系統(tǒng)建模

1.1 伺服系統(tǒng)組成

艦炮伺服控制系統(tǒng)由控制器、驅(qū)動器、三相永磁同步電機(jī)（PMSM）、減速機(jī)、反饋元件等設(shè)備組成。系統(tǒng)采用典型的三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。其中，電流環(huán)和速度環(huán)在驅(qū)動器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，均選用PI控制器，本文將重點(diǎn)對位置環(huán)控制器進(jìn)行設(shè)計?？刂平Y(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 艦炮伺服系統(tǒng)控制框圖Fig. 1 Control block diagram of naval gun servo system

1.2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

采用矢量控制策略使id=0，在dq坐標(biāo)系下建立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，其電壓方程為：

dq軸的磁鏈方程為：

氣、液、超臨界CO2相態(tài)及物性計算模型研究………………………………………………………………王 慶，吳曉東（2.11）

計算模型除坡面設(shè)為自由邊界外，模型底部（z=2800）設(shè)為固定約束邊界，模型四周設(shè)為單向邊界。在初始條件中，不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場。

1.3 負(fù)載分析

本文主要對水平方向的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，永磁同步電機(jī)通過減速機(jī)連接負(fù)載，運(yùn)動過程中需要克服的力矩有：方向座圈的摩擦力矩、射擊作用產(chǎn)生的附加阻力矩和慣性力矩。

1）方向座圈的摩擦力矩

2）后坐力附加的阻力矩

無論生活怎么奔波輾轉(zhuǎn)，我始終沒有忘記少年時期記憶中的原野、河流、青草、花朵、農(nóng)田，還有長著一雙美麗大眼睛的小滿。

因為射擊角度不同，后坐力對座圈的作用方向不同，不考慮水平分力和傾覆力矩對座圈的影響。

在電機(jī)帶動負(fù)載運(yùn)動過程中有：

3）慣性力矩

運(yùn)動射擊過程中需要克服的總負(fù)載力矩

將線性狀態(tài)誤差反饋控制率（LSEF）設(shè)計為PD組合。

式中：i為減速比；為傳動效率。

國防科工局、總裝備部和國家保密局2014年聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快吸納優(yōu)勢民營企業(yè)進(jìn)入武器裝備科研生產(chǎn)和維修領(lǐng)域的措施意見》，通過軍地雙方近年來在政策宣傳、試點(diǎn)摸索、激勵引導(dǎo)等方面堅持不懈的努力，截至2016年3月，我國已有1000多家民營企業(yè)獲得武器裝備科研生產(chǎn)許可證，比“十一五”末期增加127%，[1]為軍品科研生產(chǎn)市場注入了新的活力，“民參軍”成為軍民融合發(fā)展的主流模式。但與此同時，在利用先進(jìn)軍事科技技術(shù)推動經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面，受各種條件制約，步子還沒有邁開、成效還不太顯著，融合雙方的互動不對稱。

AIS是較常見腦血管類疾病[7]。有研究顯示，炎癥反應(yīng)在AIS的發(fā)病及預(yù)后中發(fā)揮重要作用，其中，細(xì)胞因子作為炎癥反應(yīng)所釋放出的炎癥介質(zhì)，在AIS發(fā)生過程中起一定的調(diào)節(jié)作用[8-9]。IL-33可通過多種細(xì)胞和組織表達(dá)，對心腦血管起保護(hù)作用[10-11]。CXCL12可介導(dǎo)炎癥反應(yīng)，較好地促進(jìn)組織及血管再生。

2 模型輔助線性自抗擾控制器設(shè)計

自抗擾控制（ADRC）應(yīng)用現(xiàn)代控制理論狀態(tài)觀測的原理，對系統(tǒng)的擾動情況進(jìn)行觀測和補(bǔ)償，具有較強(qiáng)的魯棒性[3-4]。自抗擾控制技術(shù)已在伺服系統(tǒng)控制、飛行器控制及過程控制等領(lǐng)域中得到了很好的應(yīng)用[5–7]。文獻(xiàn)[8]為提高火炮伺服系統(tǒng)的抗干擾性，采用ADRC對系統(tǒng)進(jìn)行控制仿真，取得了較好控制效果。同時也發(fā)現(xiàn)其參數(shù)整定復(fù)雜，不利用工程應(yīng)用。為使自抗擾技術(shù)得到更好的工程化應(yīng)用，高志強(qiáng)提出了線性自抗擾控制（LADRC），減少了控制參數(shù)，簡化了參數(shù)整定過程[9]。

從式（5）～式（7）可以看出，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在射擊和運(yùn)動過程中不斷變化，這一變化可以看成是外界干擾。

艦炮伺服系統(tǒng)中面臨的主要干擾包括摩擦力矩、射擊附加力矩等。為提高系統(tǒng)的控制性能所設(shè)計的線性自抗擾控制器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 LADRC結(jié)構(gòu)框圖Fig. 2 Block diagram of LADRC

系統(tǒng)可簡化為1個二階系統(tǒng)，

式中：y，u分別為系統(tǒng)輸出和輸入；可以從模型中得到，并按仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整；w為擾動；f為總擾動；b0為已知部分。

A：產(chǎn)后恢復(fù)一定要從產(chǎn)前就開始著手準(zhǔn)備。懷孕不代表就要猛吃，營養(yǎng)要適度、均衡。產(chǎn)前要不斷運(yùn)動，產(chǎn)前我每天快步走五公里，把體重控制在合理的范圍內(nèi)；產(chǎn)后我在順產(chǎn)三個月后恢復(fù)產(chǎn)前的體重，是因為我并沒有嬌慣自己，沒有因為喂奶而猛吃，而是適量、營養(yǎng)、均衡地吃。出了月子我就開始著重鍛煉松懈的腹部和大腿！推健腹輪是一項產(chǎn)后減脂塑形的好運(yùn)動。如果不幸寶媽們在產(chǎn)前沒控制住自己，產(chǎn)后就要加倍努力哦！而且即便帶娃、喂奶、熬夜時也不能松懈。你會發(fā)現(xiàn)鍛煉身體不僅沒有增加疲憊，反而使你更有力氣和精力。

式中：

構(gòu)造模型輔助線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（LESO）為：

高校校園是一個極具潛力與規(guī)模的市場，大學(xué)生有自己對于校園文化不同的理解與詮釋，他們擅于利用網(wǎng)絡(luò)表達(dá)自己的觀點(diǎn)與理念，新潮的思維使他們成為消費(fèi)文化的引導(dǎo)者甚至締造者。

把特征方程的極點(diǎn)放在同一位置（ ）上，取觀測器的增益矩陣為：

這兩句話是關(guān)于兩組實(shí)驗結(jié)果的對比結(jié)論，通過重復(fù)動作的實(shí)施對象：their partners，達(dá)到強(qiáng)調(diào)的效果，也有效地將兩句話之間的對比關(guān)系凸顯出來。動物學(xué)是一門主要以實(shí)踐和研究為主的學(xué)科，在敘述實(shí)驗過程和結(jié)果時，常要重復(fù)使用實(shí)驗中的實(shí)驗對象，條件等相關(guān)詞匯，用以表示強(qiáng)調(diào)。因此，在動物學(xué)英語語篇中經(jīng)常會大量使用重復(fù)的詞匯銜接手段來突出主題。

?ω0

使得：

折算到電機(jī)軸總負(fù)載力矩

根據(jù)線性自抗擾的參數(shù)整定方法[10]，確定比例和微分系數(shù)：

緊頭位置偏差會影響單支煙的重量，如果緊頭位置偏差超過允許范圍，會導(dǎo)致同一支雙倍長煙切下的兩支單支煙一支偏重、一支偏輕，影響煙支標(biāo)準(zhǔn)偏差。由于平準(zhǔn)盤和切刀盤同步情況較好，所以緊頭位置一般變動較小，故無須頻繁調(diào)節(jié)。其基本原理為檢測緊頭位置偏差，只有緊頭連續(xù)多次向同一方向偏移，并且偏移量超出允許范圍后才進(jìn)行調(diào)節(jié)。事先標(biāo)定出PLC輸出和平準(zhǔn)盤相位之間的對應(yīng)關(guān)系，然后進(jìn)行定量調(diào)節(jié)。

令我沒想到的是，在新一輪的人事任命中，我竟然被任命為縣林業(yè)局的局長。蔡大姐和局里的那幫兄弟姐妹們來恭喜我的時候，我卻苦著一張臉要哭了。我對大家說，同志們啊，你們知道嗎？林業(yè)局是什么？那是一個火坑??！前三任局長都已前赴后繼進(jìn)了班房，我孫東西就是第四個??！蔡大姐拍著我的肩膀說，小孫，不要那么悲觀嘛，只要你不貪不腐不爛，別人又豈奈你何？

3 伺服系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

本文利用Matlab/Simulink對艦炮伺服系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真系統(tǒng)如圖3所示。

階躍調(diào)炮30°，由圖4可知，采用PID算法的調(diào)節(jié)時間為0.65 s；采用LADRC的調(diào)節(jié)時間為0.48 s；而采用Model-assisted LADRC控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間為0.45 s響應(yīng)時間短，且超調(diào)最小。

圖3 伺服仿真系統(tǒng)Fig. 3 Servo simulation system

圖4 階躍響應(yīng)對比圖Fig. 4 Step response diagram

系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下，根據(jù)1.3節(jié)中負(fù)載轉(zhuǎn)矩的分析，突加轉(zhuǎn)矩擾動。如圖5所示，在PID控制下艦炮水平角度有明顯波動，角度最大誤差為0.023°，恢復(fù)時間為0.25 s；在LADRC控制下，角度最大誤差為0.003°，恢復(fù)時間為0.1 s；在Model-assisted LADRC控制下，角度最大誤差為0.002°，恢復(fù)時間為0.07 s，控制效果最優(yōu)。

圖5 干擾抑制對比圖Fig. 5 Interference suppression diagram

4 結(jié) 語

本文在分析負(fù)載轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，利用模型輔助線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)總擾動進(jìn)行觀測，并進(jìn)行了補(bǔ)償。通過仿真試驗，對比了PID，LADRC和Modelassisted LADRC的控制效果。試驗結(jié)果表明Model-assisted LADRC使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾性能和動態(tài)性能，且參數(shù)調(diào)節(jié)簡單。