面向动态目标跟踪的全电坦克自适应鲁棒控制策略研究.pdf

第 卷 第 期 年 月火炮发射与控制学报 :./.收稿日期:基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助()国家自然科学基金面上项目()中国博士后基金面上项目()江苏省博士后科研资助计划项目()作者简介:陆浣清()女 硕士研究生 研究方向为坦克稳定系统动力学及控制通信作者:王修业()男 博士 副教授 研究方向为现代控制理论、机械系统动力学及控制和智能火炮面向动态目标跟踪的全电坦克自适应鲁棒控制策略研究陆浣清 王修业 孙芹芹 王银龙 陈雨(.南京理工大学 机械工程学院 江苏 南京.南京航空航天大学 能源与动力工程学院 江苏 南京)摘 要:针对全电坦克火炮稳定系统存在自身不确定性和外部干扰影响、行进间动态目标跟踪不易稳定的难点 设计一种自适应鲁棒控制器 从而满足新一代坦克高速行进间射击的性能指标 综合考虑了坦克行进间火炮稳定系统的非线性、耦合性和不确定性 基于伺服电机和电动缸动力学特性 建立了全电执行器的坦克双向稳定系统动力学模型 并将模型以状态空间形式表达 针对系统中存在的不确定性和外部干扰 根据实用稳定理论 分析受控系统的不确定性边界情况 设计自适应律 进而构建自适应鲁棒控制策略 通过开展仿真实验 验证了所设计控制器能克服系统复杂不确定性干扰 促使坦克火炮快速、稳定地调整到期望角度关键词:动态目标跟踪 坦克火炮稳定系统 动力学建模 自适应鲁棒控制器 实用稳定性中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:火炮发射与控制学报第 卷 为提高坦克行进间的瞄准和射击精度需要通过驱动和稳定坦克炮塔与发射系统使坦克快速瞄准与精确跟踪 由于全电坦克火炮稳定系统是一个由机械结构、伺服电机、电动缸和控制系统组成的系统具有复杂的非线性、耦合性和不确定性 且目前坦克火炮控制方法的设计往往脱离真实模型难以在高机动下保持良好的作战性能因此坦克稳定系统需要一种针对强非线性和不确定性的控制方法在坦克行进过程中坦克火炮稳定系统的控制性能受外部干扰、参数摄动等非线性和不确定性因素的影响为此近年来学者们关于火炮稳定系统动力学特性与系统非线性、时变性的研究逐渐展开 陈宇等基于动态协同仿真方法建立了坦克行进间机电液联合仿真模型考虑了主要的组成和受力将其简化为底盘和火力两个部分并上下座圈相连接为坦克炮控系统设计及火炮稳定系统控制的研究提供了理论基础 等采用连续摩擦模型描述非线性摩擦特性利用反演方法提出了一种非线性自适应控制器来应对不确定性扰动控制器在参数不确定性条件下具有渐近跟踪性能坦克稳定控制系统的控制策略对系统性能的影响同样显著 早期的稳定控制系统主要基于经典控制理论进行研究设计随着现代控制理论的发展智能控制算法在坦克火炮稳定控制方面也有相关应用 等针对低速摩擦条件下坦克炮控系统目标跟踪问题设计了反步滑模控制器通过仿真验证该方法不需要摩擦的精确模型即可降低非线性因素的影响 等则将干扰观测器引入滑模控制以对外界干扰进行实时观测仿真结果表明该控制策略能提高系统的跟踪性能和低速爬行性能有效消除了滑模控制过程中的抖振问题综上所述为满足坦克火炮系统精准性、快速性和稳定性的需求相关研究分布于探究坦克系统动力学特性、建立更为完善的坦克火炮系统动力学模型、设计先进的控制算法等方面 为此笔者在综合考虑系统非线性、耦合性和不确定性的基础上开展基于动力学模型的火炮双向稳定自适应鲁棒控制策略研究以全电坦克火炮双向稳定系统为控制对象建立考虑执行机构作用的方位向和高低向执行器动力学模型并以状态空间模型表达在此基础上综合考虑双向稳定系统中存在的参数摄动、传动误差和所受外界干扰等不确定因素分析受控系统的不确定性边界条件设计自适应律在线估计不确定性因素对系统性能的影响进而设计自适应鲁棒控制器实现对系统不确定性干扰的抑制最后通过仿真研究进一步验证了提出的控制器的优良控制效果 坦克行进间全电稳定系统建模.坦克火炮稳定系统数学模型全电坦克炮双向稳定系统机械部分由方位向旋转的炮塔部分和垂直向摆动的发射系统部分构成 设()、()分别为方位向和高低向的力矩输入()、()分别为火炮坐标系下炮塔和身管的旋转角度(即方位角和高低角)由欧拉 拉格朗日方程推导得到的坦克火炮稳定系统模型如下()()()()()()()()()()()()()()()()()()()式中:、分别为炮塔和发射系统质量 为时间()、()为外部扰动为炮塔旋转半径为身管长度为万有引力常数由模型()、()可见火炮稳定系统是一个由方位向状态 和高低向状态 组成的非线性系统 真实的火炮稳定系统是一个由炮塔 发射系统、执行机构(如伺服电机系统、电动缸系统等)、控制系统等子系统耦合而成的综合性动态系统因此后续将对稳定系统子系统进行分析并进行控制器设计设计思路更符合实际需求.伺服电机驱动下方位向稳定系统动力学模型方位向系统可看作由炮塔和电机组成的运动机构引入伺服电机的动态方程()()()()()()()()()式中:()为电动机角速度()为电动机转矩()为齿轮输入扭矩()为控制输入电压 为电机转动惯量为电机轴粘滞阻尼系数、分第 期陆浣清等:面向动态目标跟踪的全电坦克自适应鲁棒控制策略研究别为电机转矩系数和电动势系数与电枢电路总电阻的比值由于电机减速齿轮组之间存在间隙非线性用()表示实际电机齿轮与传动齿轮之间存在传动误差输出扭矩()可以表达为()()()()式中 为传动比将 和 代入式()并联立式()可得全电驱动下火炮方位向系统动力学模型为()()()()()()()()()()()().().电动缸驱动下高低向稳定系统动力学模型高低向稳定系统位置关系如图 所示 为电动缸顶角为电动缸初始角度 ()为电动缸初始长度为耳轴中心与电动缸在炮塔上安装位置之间的距离为电动缸与耳轴中心在支架上的驱动位置的距离电动缸推杆位移可以表示为()().()由电动缸输出位移()()可得电机输出旋转角度:().()根据电动缸动力学特性电动缸对系统式()的输入转矩为()()()式中:()为负载力 为传动效率为电机转动惯量为驱动器转动惯量为电机轴粘滞阻尼系数为驱动器粘滞阻尼系数()为电机输出旋转角度()为控制输入为电磁转矩系数与电枢电路总电阻的比值将式()、()代入式()可得全电驱动下火炮高低向稳定系统为()()/()()/()()/()()()/()()()()()()()()式中:()()实际工作过程中坦克双向稳定系统无可避免地存在着由建模误差、外界干扰、测量偏差、参数摄动和初始状态等导致的不确定性这些不确定性极大地影响着火炮稳定系统的性能.具有不确定性的火炮稳定系统动力学模型针对火炮方位向系统式()考虑系统参数摄动、外界干扰等问题将不确定性参数伺服电机转动惯量 粘滞阻尼系数 外界干扰 以及传动误差 分解为 ()式中:为“标称”部分为随时间快速变化但有界的“不确定”部分其有界性可以描述为 火炮发射与控制学报第 卷针对火炮高低向系统式()考虑电机粘滞摩擦系数 驱动系统粘性摩擦系数 外界干扰 具有不确定性 将以上不确定性参数、分解为 ()式中:为“标称”部分为随时间快速变化但有界“不确定”部分其有界性可描述为将式()代入火炮稳定系统方位向模型式()中将式()代入火炮稳定系统高低向模型式()中得到全电驱动下带有不确定性的火炮稳定系统方位向与高低向系统动力学模型()()()()()()()()()()()()()()()()/()()/()()/()()()()/()()()()()()().()以上具有不确定性的坦克双向稳定系统动力学模型综合考虑了全电驱动下火炮稳定系统、执行机构(伺服电机与电动缸)、控制系统的非线性、耦合性与不确定性 接下来将以此动力学模型为基础研究全电驱动下火炮双向稳定控制策略 控制目标描述坦克火炮动态目标跟踪控制策略在于能够控制火炮从初始位置快速调整并使方位向和高低向角度分别稳定地跟踪目标角度 和 如图 所示 为地面坐标系下炮塔()和身管()的旋转角度是由路面激励引起的方位向()和高低向()车身坐标系与惯性坐标系的夹角定义跟踪误差:()()()()()().()将该跟踪误差作为控制器设计的控制对象对()求两次微分可得:()()()()()()()().()根据两次微分结果令 并将、()代入式()中可将方位向系统动力学模型转换为 ()()()()()()()式中:()()()()()().()同理可将高低向系统动力学模型转换为()()第 期陆浣清等:面向动态目标跟踪的全电坦克自适应鲁棒控制策略研究()()()()()式中:()/()()/()/()()/()()()()().()根据式()令 ()由 可得 ()().()式中 有界且其有界性可描述为令 将火炮方位向系统动力学模型()分解并重新整理得 ()()()式中:()是关于、和 的函数()()()()()()()()()()().()()().()令 同理将火炮高低向系统动力学模型()分解并重新整理得 ()()式中()是关于、和 的函数()()()()()()()()()().()令 是驱动器(伺服电机和电动缸)的实际控制输入 整理可得()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()式中:()为系统状态变量()为伺服电机控制输入()为电动缸控制输入()为系统不确定性参数(是未知但紧凑的集合代表不确定性参数 的界值)该全电坦克火炮双向稳定系统状态空间模型将为研究全电驱动下火炮双向稳定控制提供模型基础可看作受控系统或受控对象 自适应鲁棒控制器设计在上一节设计了函数()和()保证对于所有 都有()在本节中将通过分析受控系统的不确定性边界情况构建可反映系统不确定性综合影响力的表征参数 选择合适的火炮发射与控制学报第 卷函数()和()使得未受控标称系统()()在原点位置(即 时)一致渐进稳定 假设存在一个一阶可微函数():和一个连续的且严格递增的函数():满足 ()()()()对于所有的()()()()()()()()()()()这也就意味着对未受控标称系统()()存在李雅普诺夫函数()使得标称系统()()的解是渐进稳定的分析式()将不确定项 和 分解为“确定”项与“不确定”项相乘的形式()()()()()()()()式中:()为确定矩阵函数()与()为不确定矩阵函数其中()()()()()()()()()()()().()证明可得 且存在 使得()这里 代表相关矩阵的最小特征值 分析 的边界条件得到 ()()()()()考虑其不确定性令 ()()().()由此式()可重新整理为 ()()()()()()()()()()式中:()()()()().()针对不确定性综合表征参数 设计如下自适应鲁棒控制器()()()()()()式中:()(是向量 的第 个元素 )为常标量代表自适应律的设计参数为了实现全电驱动下的火炮双向目标跟踪控制设计如下自适应鲁棒控制器()()()()()()式中 为设计参数定理 令 ()当控制第 期陆浣清等:面向动态目标跟踪的全电坦克自适应鲁棒控制策略研究器式()施加在受控系统式()上时系统满足:)一致有界性:对于任意 都有正实数()如 果()和 如果()则当()时()其中()如果()()则当 时()选择李雅普诺夫备选函数为()()()()式中:()满足式()和()且()()()对于受控系统式()李雅普诺夫导函数为 ()().()根据式()()可得 ()().()根据式()和()可得 ()()()()()()()令 根据式()式()可改写为 ()()()()().()由()可得()().()由此式()中()()()()()()()将其代入式()可得 ()()式中 ()如前所述 ()存在函数()()()联合式()可得 ().()基于以上分析根据文献 系统实用稳定性成立具体如下:)受控系统式()具有一致有界性:对于任意 如 果 初 始 时 刻()当 时()()其中()()()()()()式中 ()受控系统式()满足一致最终有界性:对于任意 ()()当 ()时()其中()()()().()式中 ()()当选择()时受控系统式()呈现一致稳定性经过以上分析当控制器 施加在受控系统式()上时可使系统呈现预期的一致有界性、一致最终有界性与一致稳定性 仿真与分析在大地坐标系下假设我方坦克与目标相对位置如图 所示假定目标相对我方以/匀速行驶初始相对海拔高度差为 .期望通过控制使得坦克火炮的方位角和高低角调整并使得炮管稳定跟踪目标火炮发射与控制学报第 卷设置初始状态值()()()/自适应律初始值为()为了路面扰动下炮塔平面倾斜角、角速度及角加速度选取:./对于动力学模型选取 ./伺服电机参数为 ./()./()电动缸伺服系统参数为./()选取电动缸安装参数为 .控制器设计参数为 .考虑系统中存在的不确定性扰动通过计算机生成随机数模拟自身传动误差力矩、外界干扰力矩形成幅值为 的力矩扰动针对系统中存在参数摄动问题选取:电机转动惯量 .粘滞阻尼系数 ./粘滞摩擦系数./驱动系统粘性摩擦系数 ./仿真结果如图 所示 其中图 和图 分别为方位向跟踪误差 和高低向跟踪误差 动态对比图 由仿真结果来看在所提自适应鲁棒控制器作用下方位向跟踪误差 和高低向跟踪误差 在 后收敛并稳定在零附近充分验证本文的控制方法对复杂时变不确定性的抑制效果第 期陆浣清等:面向动态目标跟踪的全电坦克自适应鲁棒控制策略研究图 和图 分别是方位角和高低角随时间的角度变化实现了坦克火炮对于行进目标预期角度的稳定跟踪并保证身管角度在一定范围内稳定图 和图 分别为方位向伺服电机控制输入 和高低向电动缸控制输入 变化过程在初始时刻控制输入有较大波动在 后趋于一定范围内稳定说明控制器仍在不断地控制输入信号从而克服扰动使受控系统保持稳定 图 为相应的自适应参数 动态图在初始时刻增大至极值使控制器能够克服系统中的不确定性随后逐渐下降达到稳定 在所提自适应鲁棒控制器作用下火炮方位角 和高低角 稳定在预期角度附近并开始跟随目标角度变化之后伺服电机控制输入电动缸控制输入 以及自适应参数 均呈现稳定状态 通过仿真实验分析验证了所设计自适应鲁棒控制器能克服坦克稳定系统复杂不确定性干扰促使坦克火炮快速、稳定地调整到期望角度 结论笔者针对坦克火炮双向稳定系统这一不确定性机械系统将火炮行进间动态目标追踪问题转化成双向角度控制问题设计自适应鲁棒控制器在多种复杂时变不确定性干扰下系统具有良好的动态跟踪特性主要贡献如下:)分析火炮稳定系统工作原理研究该非线性系统动力学特性利用拉格朗日建模方法构建综合了方位向和高低向稳定系统解析动力学模型该模型具有较强的真实性和实用性)研究火炮稳定系统执行机构动力学模型并考虑系统不确定性构建考虑执行机构与不确定性的双向稳定系统解析动力学模型基于此模型所设计的控制器可充分抑制系统的非线性、不确定性与耦合性等影响)所设计的自适应鲁棒控制策略能较好地抑制系统建模误差、外界干扰等复杂不确定性的影响使坦克火炮能够稳定地跟踪移动目标参考文献 周启煌刘春彦葛银茂.现代坦克火控系统体系结构发展的轨迹.火力与指挥控制():.朱竞夫赵璧君王钦钊.现代坦克火控系统.北京:国防工业出版社:.谢润.车载武器行进间发射动力学研究.南京:南京理工大学:.()():.叶镭.多源干扰下的无人炮塔炮控系统研究.北京:北京理工大学:.:.陈宇杨国来付羽翀等.高速机动条件下坦克行进间火炮非线性振动动力学研究.兵工学报():.:.山涛.坦克水平向炮控系统设计及其非线性控制算法研究.沈阳:东北大学:.火炮发射与控制学报第 卷 .:.胡继辉侯远龙高强等.基于干扰观测器的坦克炮控系统滑模控制.电光与控制():.吕家兵侯远龙高强等.坦克炮控系统的复合自抗扰控制研究.自动化技术与应用():.():.:.:.():.():.():.(.):.马晓军 王福兴 袁东.全电式炮控系统非线性特性及其控制策略.装甲兵工程学院学报 ():.:.():.():.():.():.