電液驅(qū)動(dòng)水下發(fā)射筒開關(guān)蓋裝置高精度跟蹤控制方法

吳友生，程 棟，劉 東

(1.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015;2.河南省水下智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450015)

引言

潛艇作為公認(rèn)的戰(zhàn)略性武器，是我國海軍現(xiàn)階段主要作戰(zhàn)力量之一和保持水下能力優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。得益于良好的隱蔽性、較長的續(xù)航和高機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)，潛艇自第一次世界大戰(zhàn)之后受到各國重視[1]。二次核反擊是國家重要的防御手段，海基戰(zhàn)略核力量作為重要組成之一，戰(zhàn)略核潛艇憑借其獨(dú)一無二的隱秘機(jī)動(dòng)性成為核反擊突擊任務(wù)不可或缺的執(zhí)行者。水下導(dǎo)彈發(fā)射筒開關(guān)蓋裝置在保證潛射導(dǎo)彈順利發(fā)射中扮演著重要角色，但鑒于筒蓋開關(guān)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整體質(zhì)量大、作業(yè)環(huán)境多變且惡劣，其安全穩(wěn)定工作成為影響發(fā)射系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。由于導(dǎo)彈發(fā)射窗口期短，且需等待發(fā)射井蓋完全開啟到位，因此導(dǎo)彈發(fā)射的成敗極大取決于筒蓋能否在設(shè)置時(shí)間內(nèi)迅速且平穩(wěn)打開[2]；導(dǎo)彈發(fā)射完畢后，潛艇為躲避衛(wèi)星偵察，筒蓋能否及時(shí)關(guān)閉決定了潛艇的安全[3]。

水下導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)大部分采用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓缸控制筒蓋進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，但處于潛航狀態(tài)的潛艇易受水流擾動(dòng)，筒蓋工作環(huán)境具有負(fù)載不確定性、強(qiáng)干擾性以及運(yùn)動(dòng)非線性[4]，加之開關(guān)過程中開蓋角度大于90°時(shí)的超越負(fù)載現(xiàn)象，對(duì)開關(guān)蓋動(dòng)作的高精度控制提出挑戰(zhàn)[5]。在發(fā)射筒開關(guān)蓋運(yùn)動(dòng)控制的研究方面，有學(xué)者對(duì)筒蓋動(dòng)力學(xué)模型和調(diào)速閥電液系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，通過自適應(yīng)滑?？刂破魈岣甙l(fā)射筒開關(guān)蓋的環(huán)境適應(yīng)性，提高了位置跟蹤精度[6-7]；還有學(xué)者探討筒蓋傳感器故障工況，設(shè)計(jì)PI觀測(cè)器以實(shí)施估計(jì)筒蓋系統(tǒng)傳感器故障，極大改善了控制性能，提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)性和可靠性[8]。以上研究主要基于調(diào)速閥控制的發(fā)射筒開關(guān)蓋裝置，并未對(duì)伺服閥在此領(lǐng)域的應(yīng)用有所探討。

相較于當(dāng)前廣泛采用的通過電磁換向閥和調(diào)速閥回油調(diào)速進(jìn)行速度控制的方法，采用伺服閥直接控制不僅可以簡化油路、提高系統(tǒng)可靠性[9]，由伺服閥驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)兼并響應(yīng)快、精度高、平穩(wěn)性好的特點(diǎn)[10]，能更好的進(jìn)行水下發(fā)射筒開關(guān)蓋控制。

近年來，為補(bǔ)償電液伺服系統(tǒng)的不確定性以提高系統(tǒng)控制精度，國內(nèi)外大量學(xué)者致力于伺服閥的應(yīng)用和電液伺服系統(tǒng)非線性控制的研究。鄭文明等[11]分析伺服閥零位性能，說明了伺服閥性能下降的主要原因，并提出伺服閥科學(xué)使用方法。隨著BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的提出，電液伺服系統(tǒng)模型的位置辨識(shí)可以更加精準(zhǔn)[12]。為抑制非線性系統(tǒng)的抖振，有研究團(tuán)隊(duì)使用滑模自適應(yīng)控制方法，最終實(shí)現(xiàn)了在電液伺服系統(tǒng)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定和精確跟蹤[13]。學(xué)者們還發(fā)現(xiàn)了對(duì)電液系統(tǒng)的位置反饋進(jìn)行補(bǔ)償?shù)挠行Х椒?，即通過干擾觀測(cè)器，消除模型不匹配性，極大提高了位置控制精度[14]。

本研究針對(duì)發(fā)射筒蓋開啟關(guān)閉過程中的不確定性干擾問題以及開合動(dòng)作的速度精準(zhǔn)控制問題，提出了一種采用高增益觀測(cè)器的滑模控制器，抑制系統(tǒng)非線性對(duì)控制效果的影響，并且采用伺服閥替換傳統(tǒng)換向閥和節(jié)流閥回油調(diào)速控制，以提高水下發(fā)射筒開關(guān)蓋裝置控制的動(dòng)作平穩(wěn)性和時(shí)間精準(zhǔn)性。

1 開關(guān)蓋裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

發(fā)射筒開關(guān)蓋裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包含發(fā)射筒及筒蓋、開關(guān)蓋液壓缸、轉(zhuǎn)軸和傳動(dòng)裝置等，開關(guān)蓋執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)射筒開關(guān)蓋執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Actuator structure of launching shaft switch cover

調(diào)速閥控開關(guān)蓋裝置液壓原理圖如圖2所示，液壓缸動(dòng)作時(shí)，通過電磁換向閥控制活塞桿運(yùn)動(dòng)方向，通過調(diào)速閥進(jìn)行回油調(diào)速控制開關(guān)蓋運(yùn)動(dòng)速度。

圖2 開關(guān)蓋液壓缸回油調(diào)速回路原理圖Fig.2 Circuit diagram of speed regulator valve

伺服閥控開關(guān)蓋裝置液壓原理圖如圖3所示，采用高精度電液伺服閥對(duì)液壓缸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)液壓缸的速度和位置閉環(huán)控制。電液伺服閥具有線性度好、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn)，更適應(yīng)魯棒自適應(yīng)控制等非線性控制方法。

2 開關(guān)蓋液壓執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 調(diào)速閥控開關(guān)蓋裝置數(shù)學(xué)模型

調(diào)速閥控開關(guān)蓋裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型如圖4所示，為簡化方程，假定調(diào)速閥最小開口為0；系統(tǒng)采用恒壓源供油，pS保持恒定；回油無背壓即p0=0。

圖3 伺服閥控開關(guān)蓋液壓缸回路原理圖Fig.3 Circuit diagram of sevor valve

圖4 調(diào)速閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型Fig.4 Model of governing valve actuator

忽略液壓油的可壓縮性，建立調(diào)速閥流量連續(xù)性方程，當(dāng)閥芯動(dòng)作時(shí)，調(diào)速閥流量QL和閥芯位移xv的關(guān)系可表示為：

(1)

式中，Cd—— 調(diào)速閥流量系數(shù)

ω—— 調(diào)速閥閥芯周長

xv—— 節(jié)流閥芯位移

kR—— 調(diào)速閥減壓彈簧剛度

xC—— 節(jié)流口開口為0時(shí)彈簧壓縮量

ρ—— 液壓油密度

AR—— 減壓閥芯最大橫截面積

2.2 伺服閥控開關(guān)蓋裝置數(shù)學(xué)模型

伺服閥控開關(guān)蓋裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型如圖5所示，為簡化方程，假定伺服閥最小開口為0，系統(tǒng)為恒壓源且無背壓。

圖5 伺服閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型Fig.5 Model of servo valve actuator

建立電液伺服閥流量連續(xù)性方程，當(dāng)閥芯動(dòng)作時(shí)，液壓缸左右腔流量Q1，Q2和閥芯位移xv的關(guān)系可表示為：

(2)

(3)

式中，Cd—— 伺服閥流量系數(shù)

w—— 伺服閥閥口面積梯度

xv—— 伺服閥閥芯位移

ρ—— 液壓油密度

p1，p2—— 進(jìn)油腔和回油腔的壓力

(4)

(5)

2.3 開關(guān)蓋液壓缸數(shù)學(xué)模型

為提高控制性能，開關(guān)蓋裝置采用雙出桿液壓缸為執(zhí)行件，液壓缸左右腔中的油液流量方程可表示為：

(6)

式中，Ap—— 開關(guān)蓋液壓缸有效工作面積

xp—— 開關(guān)蓋液壓缸位移

Cip—— 缸體內(nèi)泄漏系數(shù)

Cep—— 缸體外泄漏系數(shù)

βe—— 液壓油有效體積彈性模量

V1，V2—— 開關(guān)蓋液壓缸A，B腔容積

設(shè)負(fù)載壓降為pL=p1-p2，則液壓缸流量連續(xù)方程可寫為：

(7)

建立開關(guān)蓋液壓缸受力平衡方程，為簡化方程，將液壓缸缸體與活塞間的摩擦系數(shù)視為0且忽略液壓油質(zhì)量。結(jié)合慣性定律，液壓缸力平衡方程可表示為：

(8)

式中，m—— 開關(guān)蓋液壓缸活塞桿及其連接件總重量

Bp—— 液壓缸黏性阻尼系數(shù)

FG—— 發(fā)射筒蓋及其附加結(jié)構(gòu)重力

FN—— 外界干擾作用于發(fā)射筒該上的力

選取系統(tǒng)狀態(tài)量矩陣為：

(9)

其中：θ1=Bp/m，θ2=Ap/m，T=(FG+FN)/m，θ3=4βeAp/Vt，θ4=4βeCtp，θ5=4βe/V，u=QL。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖6所示是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，由開關(guān)蓋動(dòng)作控制器生成控制曲線，利用高增益觀測(cè)器減小非線性模型誤差提高系統(tǒng)魯棒性，從而抑制開關(guān)蓋動(dòng)作過程的擾動(dòng)和抖振，以提高液壓缸位置和速度的跟蹤精度。

3.1 高增益觀測(cè)器設(shè)計(jì)

(10)

其中，α1和α2為正實(shí)數(shù)，ε?1。

圖6 系統(tǒng)控制方案Fig.6 Structure of control system

(11)

(12)

3.2 滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

針對(duì)模型式(9)，設(shè)計(jì)滑模函數(shù)為：

(13)

其中，c1>0，c2>0，e=x1-xd。

令：

β2=c2θ2-θ1θ2-θ2θ4

β3=c2-θ1

取控制率為：

β1β4x2+c1β2x1x3+β2β3x2x3-β2β4x3-

[θ2θ5(β4-c1x2+β2x2+θ2x3)]

(14)

由于：

(15)

由Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)可得，設(shè)計(jì)的滑?？刂破鳚u近穩(wěn)定。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)臺(tái)

開關(guān)蓋模擬水下試驗(yàn)裝置如圖7所示，主要由開關(guān)蓋液壓缸、導(dǎo)彈發(fā)射筒及其筒蓋、水下潛射環(huán)境模擬裝置、液壓泵站和控制系統(tǒng)組成。液壓泵站充當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力源；開關(guān)蓋液壓缸為整個(gè)試驗(yàn)裝置主要?jiǎng)幼餮b置，安裝于發(fā)射井筒壁，另一端與筒蓋開關(guān)機(jī)構(gòu)相連，實(shí)現(xiàn)筒蓋的開啟與關(guān)閉動(dòng)作；水下環(huán)境模擬裝置通過注水、排水模擬發(fā)射筒水下啟閉環(huán)境及水流擾動(dòng)。為對(duì)比調(diào)速閥閥與伺服閥對(duì)開關(guān)蓋控制效果的影響，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)2條支路，分別為由電磁換向閥、調(diào)速閥組成的回油調(diào)速回路和由電液伺服閥單獨(dú)控制的伺服控制回路。

圖7 開關(guān)蓋模擬水下試驗(yàn)裝置Fig.7 Underwater simulating test device of launching shaft switch cover

圖8 開關(guān)蓋試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Control system of test device

開關(guān)蓋試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示。基于設(shè)定的開關(guān)蓋時(shí)間解算開關(guān)蓋位置控制參考信號(hào)，通過控制器解算液壓閥控制信號(hào)控制開關(guān)蓋液壓缸動(dòng)作，使用高增益觀測(cè)器結(jié)合位移傳感器、壓力傳感器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)量進(jìn)行觀測(cè)后引入控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。解算得出的閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)工控機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送±10 V電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)接系統(tǒng)進(jìn)行電壓電流轉(zhuǎn)換后輸出±40 mA信號(hào)驅(qū)動(dòng)調(diào)速閥/伺服閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)蓋裝置的動(dòng)作控制。

圖9 開關(guān)蓋控制實(shí)驗(yàn)軌跡Fig.9 Track of switch cover controls experiment

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

為比較調(diào)速閥和伺服閥的控制效果，驗(yàn)證提出的高增益滑?？刂破鲗?duì)控制效果的提升，分別對(duì)調(diào)速閥和伺服閥采用傳統(tǒng)PID控制和高增益滑?？刂七M(jìn)行開關(guān)蓋試驗(yàn)。試驗(yàn)得到開關(guān)蓋液壓缸活塞桿位移xp和筒蓋開關(guān)速度vp，如圖9所示。由圖可知，雖然位移曲線相接近，但在速度跟蹤精度和平穩(wěn)度上，伺服閥的控制效果明顯優(yōu)于調(diào)速閥回油調(diào)速控制，采用高增益滑?？刂频目刂菩Ч麅?yōu)于傳統(tǒng)PID控制，并且采用伺服閥和高增益滑?？刂频慕M合對(duì)控制效果提升最明顯。

開蓋速度誤差e如圖10、表1所示。采用伺服閥滑?？刂频乃俣雀櫺Ч顑?yōu)，均方根誤差最小，控制精度較傳統(tǒng)控制上升30%。

圖10 開關(guān)蓋速度誤差Fig.10 Speed deviation of switch cover controls experiment

表1 開蓋速度誤差Tab.1 Speed deviation of switch cover controls experiment

5 結(jié)論

針對(duì)水下發(fā)射裝置開關(guān)蓋的速度高精度控制問題，提出了使用伺服閥替代調(diào)速閥的改進(jìn)控制方案，設(shè)計(jì)了一種基于高增益觀測(cè)器的滑模控制器，并根據(jù)搭建的筒蓋模擬裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的控制方案能有效提高筒蓋開關(guān)蓋的速度控制精度，較傳統(tǒng)方法提升30%，實(shí)現(xiàn)了筒蓋系統(tǒng)的平穩(wěn)高效控制。