負(fù)載敏感式無人機(jī)發(fā)射平臺調(diào)平系統(tǒng)控制仿真

鄧傳濤，胡國友，冷新龍，賀紅林*

(1.南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，江西南昌 330063；2.江西洪都國際機(jī)電有限責(zé)任公司，江西南昌 330024)

1 引言

隨著國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，飛行器的研制得到了飛速的發(fā)展。無論是導(dǎo)彈的發(fā)射還是無人機(jī)的發(fā)射，為使飛行更加平穩(wěn)，對飛行器發(fā)射平臺的發(fā)射姿態(tài)水平調(diào)節(jié)尤為重要。而提高控制精度和控制速度一直以來又是各行各業(yè)的敏感話題，在許多行業(yè)中，特別是需要高精控制場合中，擁有較大的市場前景。許多軍用與民用設(shè)備正常工作時(shí)都需要一個(gè)高精度的水平平臺，如車載雷達(dá)、車載火炮發(fā)射裝置、靜力壓樁機(jī)等。對平臺水平度的調(diào)節(jié)是這些設(shè)備達(dá)到工作條件必要的一個(gè)環(huán)節(jié)。近年來，計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)調(diào)平已逐漸取代傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)平。目前，在軍用產(chǎn)品方面，平臺調(diào)姿應(yīng)用最廣的是雷達(dá)天線車，大部分車載平臺調(diào)平方法及控制系統(tǒng)的研究都是基于雷達(dá)天線車展開的。而在武器或無人機(jī)等飛行器發(fā)射平臺調(diào)姿方面的研究相對較少，其相關(guān)指標(biāo)要求高，不像工程車輛要求低，而且導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使用環(huán)境，以及無人機(jī)的各種特殊使用場合，使得這類飛行器的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)相對雷達(dá)天線車往往更為復(fù)雜多變，這不僅要求調(diào)姿系統(tǒng)高效高精度，更要求調(diào)姿系統(tǒng)地形適應(yīng)能力強(qiáng)。鑒于這一技術(shù)的重要性和特殊性，研究高精度、高效率的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)就顯得非常必要[1-3]。負(fù)載敏感控制系統(tǒng)是最近發(fā)展起來的一種無關(guān)于負(fù)載的液壓系統(tǒng)，可以很好地解決液壓系統(tǒng)的輸出特性與負(fù)載特性相適應(yīng)的問題，增強(qiáng)系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。負(fù)載敏感技術(shù)的使用能夠有效的減少系統(tǒng)的發(fā)熱，這樣就減小了系統(tǒng)的功率損失，延長了液壓系統(tǒng)的使用壽命，常規(guī)液壓系統(tǒng)的工作效率遠(yuǎn)比不上負(fù)載敏感系統(tǒng)的工作效率，它也可以使機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)更加緊湊，具有構(gòu)造未來傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的潛力[4-9]。早期的車載發(fā)射平臺采用的調(diào)平系統(tǒng)多是手動(dòng)式調(diào)平器，如俄羅斯SA-2和BM-21地空導(dǎo)彈發(fā)射車，采用的是三點(diǎn)手動(dòng)式螺旋千斤頂調(diào)平器，這類調(diào)平器調(diào)平時(shí)間長，調(diào)平精度低[10]。隨著技術(shù)的發(fā)展和武器裝備要求的提高，出現(xiàn)了機(jī)電式及液壓式千斤頂，通過對自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，開發(fā)出了飛行器發(fā)射平臺的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有調(diào)平速度快和調(diào)平精度高的優(yōu)點(diǎn)[11]。為了研究更加高效率，高精度和具有穩(wěn)定性的調(diào)平液壓控制系統(tǒng)[12-13]，借助AMEsim仿真軟件對所建立的調(diào)平液壓系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真分析，模擬復(fù)雜工況下的無人機(jī)發(fā)射平臺自動(dòng)調(diào)平過程。

2 平臺的調(diào)平策略

2.1 自動(dòng)調(diào)平方案設(shè)計(jì)

任意系統(tǒng)的調(diào)平都可以簡化為對某一平臺的平面進(jìn)行調(diào)平。根據(jù)基本理論的分析可知，只有當(dāng)被調(diào)平的直線相互垂直時(shí)，它們在各自的調(diào)平過程中才沒有耦合。常見調(diào)平平臺三點(diǎn)液壓支撐結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力一般，調(diào)平的精度也不高，達(dá)不到高精度無人機(jī)發(fā)射平臺所要求的水平。六點(diǎn)液壓支撐相對于四點(diǎn)液壓支撐來說，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且存在靜不定現(xiàn)象，而且易出現(xiàn)“虛腿”現(xiàn)象。故無人機(jī)發(fā)射平臺自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)采用四點(diǎn)剛性支撐，平臺結(jié)構(gòu)大致如圖1。

圖1 四點(diǎn)剛性支撐平臺結(jié)構(gòu)示意圖

調(diào)平控制技術(shù)是以控制策略及特種平臺支腿為核心，利用負(fù)載敏感系統(tǒng)來應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境場合。

圖2所示為單腿電液比例調(diào)平控制示意圖。用壓力傳感器檢測支腿的有效觸地，用位移傳感器檢測支腿的伸出狀態(tài)、控制平臺支腿的動(dòng)作，并依據(jù)調(diào)平控制策略實(shí)現(xiàn)發(fā)射平臺的快速、自動(dòng)調(diào)平，同時(shí)利用機(jī)械鎖緊技術(shù)(或液壓鎖緊技術(shù))在規(guī)定時(shí)間內(nèi)維持平臺水平姿態(tài)。圖中位移傳感器檢測到活塞桿的實(shí)際位移并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號，與給定的預(yù)期位移電壓信號比較得出偏差量，PID控制器便根據(jù)此偏差量得出控制電壓值，在功率放大器中將得到的控制電壓放大并以電流形式輸出用于驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵。比例電磁鐵得電后產(chǎn)生一定的輸出力推動(dòng)電液比例控制閥，從而調(diào)節(jié)支腿液壓缸兩腔進(jìn)出油量，來實(shí)現(xiàn)對活塞桿的位移控制。

圖2 單腿電液比例調(diào)平控制示意圖

2.2 自動(dòng)調(diào)平流程分析

下圖為詳細(xì)調(diào)平系統(tǒng)流程圖。

圖3 自動(dòng)調(diào)平流程圖

在調(diào)平方案中，關(guān)鍵分為兩大步進(jìn)行，一是開啟調(diào)平后的水平調(diào)節(jié)防“虛腿”調(diào)節(jié)過程，另一個(gè)是通過反饋信號判斷是否達(dá)到傳感器的預(yù)設(shè)值。該平臺在調(diào)平過程中結(jié)合傳感器收集的數(shù)據(jù)，既通過判斷水平傳感器的橫向和縱向角度又進(jìn)行追逐式調(diào)平(最高點(diǎn)不動(dòng)，其余的三點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，最終使平臺達(dá)到水平狀態(tài)的方法)。當(dāng)平臺結(jié)構(gòu)示意圖中α和β都為0時(shí)，就表示平臺的狀態(tài)恰好為水平狀態(tài)。與此同時(shí)，為了預(yù)防虛腿的出現(xiàn)，在調(diào)平的兩個(gè)步驟都有相應(yīng)的檢查流程，確保調(diào)平結(jié)束沒有虛腿。在各支腿都達(dá)到設(shè)定壓力值且平臺也符合水平度要求時(shí)，整個(gè)調(diào)平流程才宣告結(jié)束。若滿足如上條件，則表明此次自動(dòng)調(diào)平結(jié)束。

3 調(diào)平液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模

3.1 系統(tǒng)的組成

調(diào)平液壓系統(tǒng)由檢測裝置、控制裝置和調(diào)平執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，檢測裝置為平臺上安裝的雙軸水平傳感器，以及安裝于各支腿上的微動(dòng)開關(guān)和壓力傳感器。采用雙軸傳感器來檢測平臺的水平度，能夠?qū)崟r(shí)高精度的測量發(fā)射車水平度，它作為控制系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)射車水平度調(diào)節(jié)的反饋元件，為系統(tǒng)調(diào)平控制提供依據(jù)。它的檢測值精度也會直接影響到調(diào)平系統(tǒng)的調(diào)平精度，所以必須選用滿足軍品級環(huán)境要求的雙軸傳感器。調(diào)平系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由帶自鎖功能的比例方向閥控制的單桿活塞液壓缸和電磁閥組成。同時(shí)在每條支腿上連接液壓鎖，以防平臺在調(diào)平后由于支腿上下腔油路泄漏導(dǎo)致軟腿或平臺在未受控制時(shí)自行下降，造成平臺失穩(wěn)，影響后續(xù)工作。

如圖4左側(cè)，本平臺采用四條圖示支腿來對平臺進(jìn)行調(diào)平。系統(tǒng)主要由柱塞泵、壓油濾油器、三位四通比例方向閥、溢流閥、液壓鎖、位移傳感器、負(fù)載、調(diào)平支腿液壓缸、PID控制模塊組成。以調(diào)平平臺的一條支腿為例，圖4右側(cè)為比例閥控系統(tǒng)單條支腿原理圖。在比例閥入口設(shè)置了一個(gè)減壓閥，它是采用流體的節(jié)流原理，來保證每個(gè)工作支腿的比例閥進(jìn)出口的壓力差保持不變，這樣就可以保證多條支腿同時(shí)動(dòng)作時(shí)，互不干擾。同時(shí)，通過直通式的定差減壓閥的作用，不論負(fù)載怎么變化，都能保證比例方向閥進(jìn)出口的壓差不變，因此，可以得出比例方向閥的流量和閥口的開度成正比關(guān)系。壓力油從減壓閥進(jìn)入比例方向閥后，當(dāng)需要支腿做伸出動(dòng)作時(shí)，比例方向閥的左位通電，壓力油通過比例方向閥后通過液壓鎖，由于有壓力油液壓鎖不會鎖緊，壓力油進(jìn)入液壓缸的無桿腔，推動(dòng)支腿液壓缸伸出，支腿位移在位移傳感器的反饋下反饋到PID控制模塊，來調(diào)節(jié)比例方向閥的開度，從而達(dá)到更加快速、精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)平臺的水平度。

圖4 調(diào)平平臺實(shí)體圖與比例閥控系統(tǒng)支腿原理圖

3.2 系統(tǒng)的建模與模型分析

依據(jù)無人機(jī)發(fā)射平臺的液壓調(diào)平系統(tǒng)原理，利用AMEsim(高級建模仿真環(huán)境)軟件對該發(fā)射平臺建模。這種圖形化的建模方法，將使用者從復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模過程中解放出來，從而更加專注于對系統(tǒng)本身的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足性能要求的條件下，對上述平臺液壓系統(tǒng)從建立如下模型，如圖5，圖5左邊為整體平臺負(fù)載敏感比例閥控系統(tǒng)仿真模型，右邊為單支腿仿真模型。先在單條支腿的仿真模型中測試控制狀況，在選擇好合適的PID參數(shù)后，將所得的經(jīng)驗(yàn)用到整體平臺負(fù)載敏感比例閥控系統(tǒng)仿真模型中，進(jìn)一步驗(yàn)證調(diào)平系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性。

圖5 負(fù)載敏感比例閥控系統(tǒng)仿真模型

4 系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析

將上圖的負(fù)載敏感比例閥控系統(tǒng)仿真模型在AMEsim軟件草圖模式中選擇合適的元件繪制好，選取相對應(yīng)的子模型，然后設(shè)置好與實(shí)際平臺匹配的參數(shù)，最后在仿真模式中，對平臺調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行仿真，下面對仿真的結(jié)果分析。

1)支腿液壓缸的流量特性

圖6是仿真而得的支腿液壓缸流量變化情況。從圖中可以看出前1s內(nèi)支腿流量波動(dòng)比較嚴(yán)重，是因?yàn)樵诖蜷_比例換向閥的同時(shí)液壓缸支撐較大負(fù)載，對液壓系統(tǒng)有較大的沖擊，造成流量在此刻波動(dòng)，當(dāng)在比例方向閥換向時(shí)，這樣的情況也發(fā)生在無桿腔在33s附近的流量變化?？傮w上來說，液壓支腿的流量特性曲線比較穩(wěn)定，對調(diào)平支腿的控制非常平穩(wěn)，同時(shí)在支腿液壓缸流量特性曲線中，無論支腿是在伸出還是收回，無桿腔的流量總是高于有桿腔的，這樣的原因是液壓缸的液壓腔內(nèi)有桿腔和無桿腔的作用面積不同。前10s內(nèi)有桿腔的流量變化是先逐漸變大，維持相對穩(wěn)定后，再逐漸變小，這是負(fù)載敏感閥控系統(tǒng)在起作用，針對一開始的預(yù)設(shè)信號與初始的支腿位置距離較大時(shí)，比例方向閥的開度就較大，直至最大，當(dāng)支腿伸出至快接近目標(biāo)位置時(shí)，對應(yīng)閥的開度變小，以便于能使支腿更加精準(zhǔn)可控的達(dá)到目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)平臺的調(diào)平。

圖6 調(diào)平系統(tǒng)支腿液壓缸流量特性曲線

2)支腿液壓缸的壓力特性

各支腿液壓缸的壓力特性曲線雖不盡相同，但其中的變化情況類似。以一條支腿的壓力特性曲線為例展開分析。由圖7可知，雖然在前1s內(nèi)出現(xiàn)了壓力波動(dòng)，但于整個(gè)調(diào)平過程而言，液壓缸的壓力特性曲線平滑，在大負(fù)載的情況下，說明系統(tǒng)的控制過程平穩(wěn)，系統(tǒng)的魯棒性良好。在圖7的有桿腔曲線中可以看出0～24.35s內(nèi)，有桿腔的壓力在前1s內(nèi)短暫上升后，持續(xù)下降，這個(gè)過程中，支腿位移傳感器不斷反饋支腿伸出狀態(tài)回支腿PID控制器，由PID控制器調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量。圖8為經(jīng)PID控制器后的輸出控制量變化曲線。在支腿快伸出到初始信號預(yù)設(shè)的距離時(shí)，伸出的速度越來越慢，以便于對平臺的控制達(dá)到較高的精度。在24.35s～32.7s內(nèi)保持在某一位置不動(dòng)，所以有桿腔的壓力在此段時(shí)間內(nèi)為0且保持不變。最后一段曲線為支腿收回時(shí)的狀態(tài)，為了快速收回，所以有桿腔一直保持高壓狀態(tài)。其中33.15s附近無桿腔的壓力有個(gè)明顯的突變，由于當(dāng)支腿在伸出達(dá)到目標(biāo)位置后收回時(shí)，有桿腔開始輸入壓力油，無桿腔為出油口，支腿逐漸收回，這是支腿收回時(shí)的一個(gè)壓力變化現(xiàn)象。

圖7 調(diào)平系統(tǒng)支腿液壓缸壓力特性曲線

圖8 PID控制器輸出的控制量

3)支腿液壓缸伸出速度特性

圖9為仿真后得到的支腿液壓缸伸出速度特性曲線，從圖中可以看出，在前0.75s內(nèi)支腿伸出速度波動(dòng)劇烈，這是當(dāng)支腿開始動(dòng)作時(shí)，比例換向閥的打開對整個(gè)調(diào)平系統(tǒng)具有一定的沖擊，造成在開始的0.75s內(nèi)短暫震蕩。由圖可知，在12.5s左右換向時(shí)，并未出現(xiàn)較大的震蕩和沖擊，在43.5s左右出現(xiàn)較為明顯的突起，是由于油液具有一定的慣性，在較大速度時(shí)，系統(tǒng)的控制會有一點(diǎn)微弱的滯后，所以在即將接近目標(biāo)位置時(shí)，通過位移傳感器反饋回PID控制器后的輸出控制速度都會逐漸減弱，以便于系統(tǒng)對調(diào)平平臺更加精準(zhǔn)的控制。

圖9 調(diào)平系統(tǒng)支腿速度特性曲線

4)支腿液壓缸位移響應(yīng)和控制精度

為了更好的對比預(yù)設(shè)信號與實(shí)際位移的契合度。在圖10中給出了預(yù)設(shè)信號和支腿實(shí)際位移響應(yīng)曲線。預(yù)設(shè)信號與支腿實(shí)際位移響應(yīng)符合的很好。實(shí)際應(yīng)用中，由于比例閥可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，它所能達(dá)到的瞬時(shí)最小速度可以很小，在調(diào)平控制的末段，它能根據(jù)傾角傳感器的反饋信號實(shí)現(xiàn)非常微小的伸出，從而達(dá)到精確調(diào)平的目標(biāo)。

圖10 調(diào)平系統(tǒng)支腿位移響應(yīng)曲線

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)研制了無人機(jī)發(fā)射調(diào)平平臺，提出了合理的調(diào)平方案。

2)基于AMEsim軟件環(huán)境建立了無人機(jī)發(fā)射平臺的液壓仿真模型，對所建立的無人機(jī)發(fā)射平臺調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到液壓支腿的動(dòng)態(tài)特性曲線，直觀的反映了平臺調(diào)平過程液壓回路狀態(tài)。

3)引入改進(jìn)的PID增量控制閉環(huán)方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，可達(dá)到對平臺的高效率高精度控制。

4)此系統(tǒng)的魯棒性良好，該系統(tǒng)能適應(yīng)調(diào)平平臺在復(fù)雜環(huán)境下的工作要求。