一種活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)軌道行走理想速度曲線設(shè)計(jì)

李道平，楊之江，劉麗媛，邢 然，許學(xué)雷

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)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，用于控制活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)承載運(yùn)載火箭按照特定的軌道和速度曲線實(shí)現(xiàn)技術(shù)廠房與發(fā)射工位間的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)。某航天發(fā)射基地軌道為直線軌道，沿途設(shè)置2 處變軌道岔，見圖1?；顒?dòng)發(fā)射平臺(tái)需在直線軌道上在規(guī)定時(shí)間內(nèi)安全、平穩(wěn)、可靠地將運(yùn)載火箭轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射工位。理想速度曲線設(shè)計(jì)是活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，開展活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)軌道行走理想速度曲線設(shè)計(jì)、確保驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)順利運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)平臺(tái)順利轉(zhuǎn)運(yùn)是工程研制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖1 活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)軌道Fig.1 The Transport Track of Mobile Launch Platform

圍繞活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)垂直轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，相關(guān)學(xué)者開展了大量研究。國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)資料較少，主要圍繞發(fā)射平臺(tái)的轉(zhuǎn)運(yùn)方式開展描述，在速度曲線方面未見相關(guān)報(bào)道。文獻(xiàn)[1]～[3]對(duì)國(guó)內(nèi)外最早的活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)做了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)其主要速度指標(biāo)進(jìn)行定量描述；文獻(xiàn)[4]給出了某運(yùn)載型號(hào)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要組成及轉(zhuǎn)運(yùn)的主要指標(biāo)要求；文獻(xiàn)[5]對(duì)帶有柔性機(jī)構(gòu)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)差速行走的可行性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[6]通過(guò)仿真給出了活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)速度上限的要求，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量了運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)加速度值滿足任務(wù)要求；文獻(xiàn)[7]對(duì)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在圓弧曲線上的速度控制開展了研究。針對(duì)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)流程，目前相關(guān)理想速度曲線設(shè)計(jì)方面工作尚未開展。速度曲線是活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，對(duì)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的功能和性能有重要影響。以某運(yùn)載型號(hào)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)為研究對(duì)象，圍繞直線軌道運(yùn)行、經(jīng)過(guò)道岔、終點(diǎn)減速及定位的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)全流程，開展活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)軌道行走理想速度曲線設(shè)計(jì)，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，給出合理設(shè)計(jì)值，驗(yàn)證其合理性。

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)、變頻器和限位傳感器等設(shè)備組成。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Profibus-DP 總線控制變頻器拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。均勻分布于行走裝置上的16臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走裝置輪組的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的運(yùn)行。系統(tǒng)通過(guò)限位傳感器反饋電機(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、終點(diǎn)減速、精確定位和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能。驅(qū)動(dòng)控制系統(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Fig.2 The Schematic of Drive Control System of Mobile Launch Platform

2 理想速度曲線設(shè)計(jì)

活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)需要在有限的時(shí)間內(nèi)完成運(yùn)載火箭的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)，最終定位精度范圍要求±15 mm，轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中要保證上部運(yùn)載火箭加速度不大于0.02g（g為重力加速度）。根據(jù)圖1 所示的發(fā)射場(chǎng)軌道的布局，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)需完成出技術(shù)廠房、經(jīng)過(guò)道岔I、經(jīng)過(guò)長(zhǎng)直軌道、經(jīng)過(guò)道岔II、到達(dá)發(fā)射區(qū)減速停止。

2.1 總體設(shè)計(jì)

為保證有限時(shí)間3 h（不含因任務(wù)需要停止的時(shí)間）內(nèi)完成運(yùn)載火箭的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)，根據(jù)軌道總長(zhǎng)度約2800 m，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)平均速度應(yīng)不低于約15.56 m/min。根據(jù)以往型號(hào)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮空載返回工況，設(shè)計(jì)直線軌道最高速度30 m/min；為保證加減速過(guò)程正常，采用分段加減速設(shè)計(jì)，共設(shè)置4 m/min、10 m/min、15 m/min、20 m/min、25 m/min、30 m/min 6 個(gè)速度檔，其中活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)載有運(yùn)載火箭時(shí)最大速度為25 m/min。

由于在道岔上軌道存在縫隙，為了避免活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)經(jīng)過(guò)縫隙時(shí)出現(xiàn)顛簸造成變頻器出現(xiàn)過(guò)壓或過(guò)流報(bào)警，初步設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)道岔時(shí)速度降低為15 m/min；根據(jù)初步速度設(shè)計(jì)，由于活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)大部分時(shí)間運(yùn)行在最大速度25 m/min 的狀態(tài)，所以如果不考慮加減速的時(shí)間，粗略估計(jì)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間時(shí)可以用軌道長(zhǎng)度除以25 m/min 估算轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間約為T=2800/25/60≈1.86 h。

2.2 理想速度曲線斜率設(shè)計(jì)

理想速度曲線斜率是活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)加速與減速時(shí)的加速度，與活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的加減速時(shí)間成反比。加速時(shí)間是指變頻器輸出頻率從零上升到最大頻率所需時(shí)間，減速時(shí)間是指變頻器輸出頻率從最大頻率下降到零所需時(shí)間。加減速時(shí)間與活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)運(yùn)行的加速度成反比；為提高轉(zhuǎn)場(chǎng)效率，降低轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)應(yīng)盡量工作在最大速度25 m/min，即加速度應(yīng)越大越好，加減速時(shí)間應(yīng)越短越好，但是加減速時(shí)間受運(yùn)載火箭加速度要求及活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)和軌道限制。其次加速時(shí)間越短，容易導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)過(guò)流報(bào)警，而減速時(shí)間過(guò)短易發(fā)生變頻器過(guò)壓報(bào)警，因此需合理設(shè)計(jì)加減速時(shí)間。根據(jù)運(yùn)載火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)振動(dòng)加速度不大于0.02g的要求，同時(shí)考慮活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的質(zhì)量及變頻器的能力及借鑒以往型號(hào)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)定加速時(shí)加速度為0.0125 m/s2≈0.0013g，減速時(shí)加速度為0.0083 m/s2≈0.00085g，既可以保證加減速過(guò)程的安全性也能保證轉(zhuǎn)運(yùn)的效率。

2.3 終點(diǎn)定位設(shè)計(jì)

為保證活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)到位停止時(shí)定位準(zhǔn)確，提升重復(fù)定位精度，采用2 次減速控制策略：在4～0 m/min之間增加1 個(gè)速度檔位，該速度越低，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)重復(fù)定位精度越好，但是速度較低時(shí)，電機(jī)輸入頻率與輸出頻率呈非線性狀態(tài)，為保證該速度下活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)仍然能夠穩(wěn)定運(yùn)行，該速度檔位設(shè)定為0.8 m/min。實(shí)際使用時(shí)，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)安裝終點(diǎn)停止限位傳感器，軌道上安裝對(duì)應(yīng)的感應(yīng)裝置，終點(diǎn)停止限位傳感器第1次觸發(fā)時(shí)，將速度減速至0.8 m/min，終點(diǎn)停止限位傳感器第2 次觸發(fā)時(shí)，將速度減速至0 m/min。

2.4 理想速度曲線

由2.1 至2.3 節(jié)，繪制出活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)由技術(shù)區(qū)到發(fā)射區(qū)和由發(fā)射區(qū)返回技術(shù)區(qū)的理想速度曲線見圖3。

圖3 理想速度曲線（技術(shù)廠房-＞發(fā)射工位）Fig 3 The Perfect Speed Curve（Testing Area -＞Launch Area）

以由技術(shù)區(qū)到發(fā)射工位為例，在運(yùn)行過(guò)程中，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)依次經(jīng)歷技術(shù)廠房啟動(dòng)，分段加速至15 m/min，經(jīng)過(guò)道岔I，加速至25 m/min，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)直軌道，分段減速至15 m/min，經(jīng)過(guò)道岔II，到達(dá)發(fā)射工位，減速定位?；顒?dòng)發(fā)射平臺(tái)由發(fā)射工位返回技術(shù)廠房過(guò)程同理，其中不運(yùn)載火箭時(shí)速度最大可達(dá)30 m/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證上述速度曲線設(shè)計(jì)的合理性，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)于某發(fā)射場(chǎng)開展行走試驗(yàn)。以技術(shù)區(qū)至發(fā)射區(qū)為例，運(yùn)行過(guò)程中16 臺(tái)電機(jī)的頻率、電壓和電流曲線如圖4～6 所示，圖4 中，由于采用開環(huán)V/F 控制，所以16 臺(tái)電機(jī)頻率一致，其中頻率與活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)速度成正比，46.88 Hz 對(duì)應(yīng)25 m/min。

由圖4 可知，除根據(jù)任務(wù)需要活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)停止1 次外，實(shí)際活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中的頻率曲線與圖3理想速度曲線全程在圖像走勢(shì)和趨勢(shì)上基本一致，在直線軌道時(shí)，各電機(jī)速度給定一致。由圖5 可知，16 臺(tái)電機(jī)電壓平穩(wěn)，無(wú)過(guò)電壓和欠電壓現(xiàn)象，由圖5和圖6 可知，電機(jī)壓頻比基本一致，運(yùn)行狀態(tài)良好。由圖6 可知，整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中16 臺(tái)電機(jī)電流平穩(wěn)，雖然部分路段電流略有波動(dòng)，但是仍處于正常運(yùn)行的額定值（57 A）內(nèi)，無(wú)過(guò)流現(xiàn)象。由圖4～6 橫坐標(biāo)可知，轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間約2 h 7 min，滿足3 h 之內(nèi)任務(wù)要求。

圖5 電壓曲線Fig.5 The Curve of Voltage

圖6 電流曲線Fig.6 The Curve of Current

綜上所述，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)按照理想速度曲線運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)行正常，壓頻比基本一致，無(wú)過(guò)流和過(guò)載等風(fēng)險(xiǎn)，轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間滿足要求，能夠順利完成運(yùn)載火箭的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)，因此速度曲線設(shè)計(jì)合理可行。

4 結(jié)束語(yǔ)

為確?；顒?dòng)發(fā)射平臺(tái)在轉(zhuǎn)運(yùn)軌道上完成運(yùn)載火箭的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)，為其理想速度曲線開展了技術(shù)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)證明按照該速度曲線運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)在轉(zhuǎn)運(yùn)軌道上的行走，滿足任務(wù)要求，有效地提高了活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的總體性能，順利完成運(yùn)載火箭的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)。[1] 張福全.國(guó)外活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)述評(píng)[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),1996(2):49-59.