【摘要】：高壓氣動彈射技術以具有瞬間膨脹性強、功率密度大等特性的壓縮空氣為工作介質,具有功率-質量比大、無污染、防燃、防爆、防電磁干擾、工質溫度低、無需熱防護措施、通用性好、成本低等優(yōu)點,在導彈發(fā)射領域具有較好的應用前景。但是氣動系統(tǒng)具有很多不利于精確控制的弱點,如強非線性、模型不確定性等,如何實現(xiàn)高壓氣動彈射過程控制仍是一個難點。本論文以高壓氣動彈射系統(tǒng)為研究對象,為實現(xiàn)系統(tǒng)彈射過程的控制,把彈射系統(tǒng)分為高壓氣動子系統(tǒng)和液壓位置控制子系統(tǒng),高壓氣動子系統(tǒng)由氣源、氣閥、氣缸等組成。液壓伺服子系統(tǒng)由活塞桿和氣閥閥芯機械連接的液壓缸、伺服閥、油源等組成,可實現(xiàn)氣閥閥芯位置的精確控制。為獲得理想氣閥通流面積,針對高壓氣動子系統(tǒng)設計了高性能位置控制策略,通過氣動控制子系統(tǒng)理論仿真得到的理想氣閥通流面積,設計了液壓位置控制子系統(tǒng)的期望指令,控制氣閥閥芯按預設的軌跡運動,實現(xiàn)了高壓氣動彈射過程的控制。本文將以實現(xiàn)高壓氣動彈射過程高精度控制為目標,以驅動氣閥閥芯運動的液壓伺服系統(tǒng)高精度運動控制研究為核心,從建立精確描述系統(tǒng)特性的非線性模型入手,利用理論分析和實驗相結合的方法,深入的研究了氣動控制策略和液壓伺服位置控制策略。(1)針對彈射系統(tǒng)高壓氣動子系統(tǒng),建立了高壓氣動系統(tǒng)完整的非線性模型,考慮到高壓氣體的性質已偏離理想狀態(tài),采用改進維里方程對理想氣體狀態(tài)方程進行合理修正,基于修正后的氣體狀態(tài)方程推導了較為真實的壓力動態(tài)方程。針對氣動子系統(tǒng)中的不確定性(參數(shù)不確定和不確定非線性),設計了基于誤差符號積分的氣動伺服系統(tǒng)非線性控制器,獲取氣動子系統(tǒng)的控制作用規(guī)律。此外,為了改善控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能問題,提出了預設性能控制方法,對系統(tǒng)的瞬態(tài)性能施加約束,保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)性能的同時,獲得了更加理想的控制作用規(guī)律。通過仿真驗證了控制器的有效性。(2)針對彈射裝置的液壓位置伺服子系統(tǒng),建立了液壓伺服系統(tǒng)完整的非線性模型。闡述了閥控液壓缸位置控制的主要問題;重點針對液壓伺服系統(tǒng)的不確定性,設計了含干擾補償?shù)姆答伔蔷�性魯棒控制策略;該控制器由有限時間干擾觀測器和基于反步法設計的非線性魯棒控制器兩部分組成,通過在線干擾估計來補償系統(tǒng)的不確定性,利用魯棒反饋來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,從而保證了高的控制精度。最后通過不同工況的對比實驗,驗證了控制器的有效性。(3)針對實驗中存在的速度信號測量噪聲問題,設計了基于擴張狀態(tài)觀測器的反饋非線性魯棒控制策略;通過速度狀態(tài)和干擾的在線估計及實時補償,抑制了速度信號可能引入系統(tǒng)的嚴重噪聲的同時,大大降低了系統(tǒng)不確定性對控制器控制性能的影響。(4)由于氣閥中死區(qū)的存在,驅動氣閥開閉的液壓位置伺服系統(tǒng)初始狀態(tài)是不匹配的,有可能出現(xiàn)速度或加速度過大的情況,降低驅動氣閥的液壓系統(tǒng)的位置控制精度,進而影響導彈彈射的控制精度。本文針對此問題,開展基于全狀態(tài)約束的液壓系統(tǒng)的運動控制研究,基于障礙李雅普諾夫函數(shù),考慮干擾補償以及噪聲抑制,設計了系統(tǒng)全狀態(tài)約束控制策略。最后通過實驗驗證了控制策略的有效性。(5)依據(jù)實際工況設計了彈射裝置原理樣機,基于相關控制問題,結合不同技術難點設計了合理的實驗方案。通過伺服系統(tǒng)控制結果以及導彈彈射位移、彈射末速度等結果,驗證了系統(tǒng)模型的精確性和控制策略的有效性。
【圖文】：

邐２高壓氣動彈射系統(tǒng)總體方案設計逡逑２．１引言逡逑基于高壓氣動彈射工作原理，并考慮到彈射系統(tǒng)的環(huán)境適應性，我們提出了高壓氣逡逑動彈射系統(tǒng)的總體方案，詳細地介紹了裝置的基本構成和工作原理。基于彈射系統(tǒng)的載逡逑荷、尺寸和功能需求，給出了彈射裝置的主要參數(shù)的初步設計。最后，從本論文的出發(fā)逡逑點考慮，分析了彈射裝置工作過程中的主要控制技術難點，，為后續(xù)章節(jié)控制策略的研宄逡逑奠定了基礎。逡逑２．２總體方案設計逡逑２．２．１裝置總體方案設計和工作原理逡逑彈射系統(tǒng)發(fā)射裝置結構示意圖和原理樣機圖如圖２．１？２．２所示。逡逑

始往上運動，并以一定速度出筒，至一定高度處，導彈發(fā)動機點火；同時液壓伺服系統(tǒng)逡逑驅動氣閥快速關閉，氣缸內(nèi)的高壓氣體通過泄氣孔排出，氣體壓力迅速降低，推彈裝置逡逑由液壓制動系統(tǒng)緩沖下來，至此，整個彈射過程完成。發(fā)射裝置原理圖如圖２．３。逡逑由彈射裝置的設計原理和工作過程可知，彈射系統(tǒng)是整體上是一個開環(huán)的系統(tǒng)，為逡逑了獲得氣閥的控制作用規(guī)律，本文將整個彈射系統(tǒng)分為兩個主要部分：氣動子系統(tǒng)和液逡逑壓伺服子系統(tǒng)。氣動子系統(tǒng)主要實現(xiàn)彈射系統(tǒng)的彈射控制功能，研宄氣閥閥芯位移和彈逡逑射導彈位移的關系，包括氣源、氣閥和氣缸。對氣動子系統(tǒng)進行閉環(huán)仿真研宄，通過設逡逑計的控制器和導彈期望指令仿真得到氣閥閥芯理想位移曲線，指導液壓伺服子系統(tǒng)期望逡逑指令的設計；液壓伺服子系統(tǒng)主要實現(xiàn)氣閥閥芯的位置控制功能，研宄氣閥閥芯和整個逡逑彈射系統(tǒng)的控制輸入的關系，包括油源、液壓伺服閥和雙出桿液壓缸。液壓位置伺服系逡逑２２逡逑
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TJ768

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本文編號：2640600