隨著現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)火箭炮武器系統(tǒng)的跟蹤精度提出了更高的要求。火箭炮在跟蹤發(fā)射時(shí),系統(tǒng)的質(zhì)心位置、剛度、阻尼和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均發(fā)生很大變化,系統(tǒng)參數(shù)具有不確定性,且在發(fā)射狀態(tài)時(shí)受連續(xù)燃?xì)饬鳑_擊導(dǎo)致發(fā)射平臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng),使得后續(xù)射彈在此發(fā)射環(huán)境下命中精度降低。除此之外,火箭炮系統(tǒng)在跟蹤目標(biāo)時(shí)兩軸回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)存在非線性耦合關(guān)系。如何克服這些擾動(dòng)及不確定性對(duì)系統(tǒng)的影響,提高火箭炮伺服系統(tǒng)的跟蹤精度和抗干擾能力,是需要研究的問題。本文結(jié)合某新型集束火箭炮的研制工作,針對(duì)這些問題,通過線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(LESO)結(jié)合線性誤差反饋律、非線性誤差反饋律、自適應(yīng)魯棒控制,設(shè)計(jì)了幾種基于自抗擾的控制器,對(duì)火箭炮伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制研究和理論分析。由于自抗擾控制把數(shù)學(xué)模型之外的所有不確定因素歸結(jié)為未知擾動(dòng),并對(duì)其進(jìn)行估計(jì)給予系統(tǒng)補(bǔ)償,因此非常適合應(yīng)用于具有大量不確定性且難以精確建模的火箭炮伺服系統(tǒng)。本文在以下幾個(gè)方面展開了研究工作：1.分析了集束火箭炮位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理,分別建立了驅(qū)動(dòng)器配置在速度環(huán)的方位和俯仰伺服系統(tǒng)模型,通過頻域分析建立了伺服系統(tǒng)近似模型的擴(kuò)張狀態(tài)空間表達(dá)式,并將系統(tǒng)發(fā)射時(shí)的燃?xì)饬鳑_擊、系統(tǒng)摩擦、負(fù)載變化等擾動(dòng)歸于擴(kuò)張狀態(tài)。針對(duì)傳統(tǒng)火箭炮伺服系統(tǒng)建模過程中忽略了兩軸耦合因素的不足,通過兩軸坐標(biāo)變換和動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)出兩軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩方程,從而得到兩軸耦合關(guān)系。建立了基于驅(qū)動(dòng)器速度閉環(huán)的兩軸耦合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,并將耦合力矩視為擾動(dòng)項(xiàng),同時(shí)將耦合力矩結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程建立了驅(qū)動(dòng)器在轉(zhuǎn)矩模式下的耦合系統(tǒng)微分方程。2.針對(duì)火箭炮位置伺服系統(tǒng)的不確定性,分別設(shè)計(jì)了俯仰系統(tǒng)和方位系統(tǒng)基于線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的自抗擾控制器。證明了所設(shè)計(jì)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的收斂性并給出了伺服系統(tǒng)穩(wěn)定的條件。在伺服跟蹤和靜態(tài)定位兩種工況下進(jìn)行仿真,并和傳統(tǒng)比例積分微分(PID)控制進(jìn)行比較。仿真結(jié)果表明伺服跟蹤和燃?xì)饬鳑_擊下自抗擾控制的性能優(yōu)于PID控制。3.對(duì)驅(qū)動(dòng)器在轉(zhuǎn)矩模式下的火箭炮耦合伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)了線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器,估計(jì)出作用于系統(tǒng)的加速度的實(shí)時(shí)作用量,并在非線性狀態(tài)誤差反饋律中補(bǔ)償該估計(jì)值,由此設(shè)計(jì)了兩軸虛擬控制量。通過矩陣變換得到實(shí)際控制量,并作為兩軸驅(qū)動(dòng)器輸入電壓控制量對(duì)耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解耦控制。對(duì)驅(qū)動(dòng)器配置在速度環(huán)的耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)了線性自抗擾控制器,通過調(diào)節(jié)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器帶寬和控制器帶寬提高系統(tǒng)跟蹤精度,簡化了誤差反饋律中輸入信號(hào)的兩階微分項(xiàng),提高了控制器的性能。證明了火箭炮非線性時(shí)變耦合系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明觀測(cè)器帶寬不變時(shí)耦合系統(tǒng)跟蹤誤差隨控制器帶寬的增大而減小,火箭炮雙輸入雙輸出系統(tǒng)在伺服跟蹤和階躍響應(yīng)下均滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)。所設(shè)計(jì)的自抗擾控制器提高了火箭炮伺服系統(tǒng)跟蹤狀態(tài)和連續(xù)燃?xì)饬鳑_擊下的控制精度,抑制了耦合力矩對(duì)系統(tǒng)的影響,使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。4.通過線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)出擴(kuò)張狀態(tài)的實(shí)時(shí)作用量,由該估計(jì)值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擾動(dòng)補(bǔ)償,并結(jié)合自適應(yīng)魯棒控制,設(shè)計(jì)了基于擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)魯棒控制器,分析了該控制器的性能。為了避免高增益反饋導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變差,將擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)未知擾動(dòng)的估計(jì)值代替自適應(yīng)魯棒控制器中的高增益反饋,以補(bǔ)償系統(tǒng)擾動(dòng),設(shè)計(jì)了基于線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的自適應(yīng)魯棒控制器,并分析了該控制器的性能。5.分析了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和基本組成,完成了以DSP F2812為核心的系統(tǒng)位置控制器硬件電路和軟件編程設(shè)計(jì)。以火箭炮發(fā)射裝置樣機(jī)和伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ),通過實(shí)驗(yàn)對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了自抗擾控制律在系統(tǒng)中的可行性,為火箭炮伺服系統(tǒng)性能的提高提供了參考依據(jù)。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TJ393
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 課題研究的背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
        1.2.1 火箭炮伺服系統(tǒng)的發(fā)展
        1.2.2 永磁交流伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
        1.2.3 自抗擾控制技術(shù)綜述
    1.3 論文的主要研究內(nèi)容
    1.4 章節(jié)安排
    1.5 本章小結(jié)
2 火箭炮位置伺服系統(tǒng)建模
    2.1 引言
    2.2 驅(qū)動(dòng)器配置在速度環(huán)的伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
    2.3 火箭炮方位與俯仰兩軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型
        2.3.1 兩軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系
        2.3.2 兩軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
        2.3.3 兩軸系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩方程
        2.3.4 兩軸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程
    2.4 火箭炮兩軸耦合伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
        2.4.1 驅(qū)動(dòng)器在轉(zhuǎn)矩模式下的耦合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
        2.4.2 驅(qū)動(dòng)器配置在速度環(huán)的耦合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
    2.5 位置伺服系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)
        2.5.1 摩擦力矩干擾
        2.5.2 不平衡力矩和慣性力矩?cái)_動(dòng)
        2.5.3 燃?xì)饬鳑_擊干擾
    2.6 本章小結(jié)
3 火箭炮位置伺服系統(tǒng)自抗擾控制
    3.1 引言
    3.2 自抗擾控制理論
        3.2.1 抗擾范式
        3.2.2 跟蹤微分器
        3.2.3 擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器
        3.2.4 自抗擾控制器組成
    3.3 位置控制器設(shè)計(jì)
        3.3.1 線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)
        3.3.2 自抗擾控制器設(shè)計(jì)
        3.3.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
    3.4 伺服系統(tǒng)仿真分析
        3.4.1 伺服跟蹤仿真
        3.4.2 燃?xì)饬鳑_擊仿真
    3.5 本章小結(jié)
4 火箭炮兩軸耦合伺服系統(tǒng)自抗擾控制
    4.1 引言
    4.2 多變量系統(tǒng)的自抗擾控制
    4.3 驅(qū)動(dòng)器在轉(zhuǎn)矩模式下的耦合系統(tǒng)自抗擾控制
        4.3.1 多變量系統(tǒng)的解耦控制
        4.3.2 自抗擾控制器設(shè)計(jì)
        4.3.3 系統(tǒng)仿真
    4.4 驅(qū)動(dòng)器配置在速度環(huán)的耦合系統(tǒng)自抗擾控制
        4.4.1 線性自抗擾控制器設(shè)計(jì)
        4.4.2 線性自抗擾控制穩(wěn)定性分析
        4.4.3 耦合系統(tǒng)仿真分析
    4.5 本章小結(jié)
5 火箭炮兩軸耦合自適應(yīng)魯棒與擾動(dòng)補(bǔ)償融合控制
    5.1 引言
    5.2 基于擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)鸟詈舷到y(tǒng)自適應(yīng)魯棒控制
        5.2.1 基于擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)魯棒控制器設(shè)計(jì)
        5.2.2 控制器性能分析
        5.2.3 仿真分析
    5.3 基于LESO的耦合系統(tǒng)自適應(yīng)魯棒控制
        5.3.1 基于LESO的自適應(yīng)魯棒控制器設(shè)計(jì)
        5.3.2 控制器性能分析
        5.3.3 仿真分析
    5.4 本章小結(jié)
6 火箭炮位置伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究
    6.1 引言
    6.2 火箭炮位置伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成
    6.3 位置控制器設(shè)計(jì)
        6.3.1 硬件電路組成
        6.3.2 控制器軟件設(shè)計(jì)
    6.4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
        6.4.1 階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)
        6.4.2 正弦信號(hào)跟蹤實(shí)驗(yàn)
    6.5 本章小結(jié)
7 結(jié)論與展望
    7.1 全文總結(jié)
    7.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)
    7.3 工作展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 高強(qiáng);王力;錢林方;;自適應(yīng)模糊滑�？刂圃诨鸺陔娨核欧到y(tǒng)中的應(yīng)用[J];兵工學(xué)報(bào);2007年09期

2 劉穎;周波;方斯琛;;基于新型擾動(dòng)觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)滑�？刂芠J];中國電機(jī)工程學(xué)報(bào);2010年09期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 張學(xué)鋒;火箭武器防空反導(dǎo)效能研究與系統(tǒng)仿真[D];南京理工大學(xué);2006年

本文編號(hào)：2857072