隨著現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對火箭炮武器系統(tǒng)的跟蹤精度提出了更高的要求�；鸺谠诟櫚l(fā)射時,系統(tǒng)的質(zhì)心位置、剛度、阻尼和轉(zhuǎn)動慣量均發(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)時受連續(xù)燃?xì)饬鳑_擊導(dǎo)致發(fā)射平臺產(chǎn)生振動,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。如何克服這些擾動及不確定性對系統(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,針對這些問題,通過線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(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)計了幾種基于自抗擾的控制器,對火箭炮伺服系統(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,并對其進(jìn)行估計給予系統(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)特點和工作原理,分別建立了驅(qū)動器配置在速度環(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)射時的燃?xì)饬鳑_擊、系統(tǒng)摩擦、負(fù)載變化等擾動歸于擴(kuò)張狀態(tài)。針對傳統(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項,同時將耦合力矩結(jié)合系統(tǒng)運動方程建立了驅(qū)動器在轉(zhuǎn)矩模式下的耦合系統(tǒng)微分方程。2.針對火箭炮位置伺服系統(tǒng)的不確定性,分別設(shè)計了俯仰系統(tǒng)和方位系統(tǒng)基于線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的自抗擾控制器。證明了所設(shè)計的擴(kuò)張狀態(tài)觀測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.對驅(qū)動器在轉(zhuǎn)矩模式下的火箭炮耦合伺服系統(tǒng)設(shè)計了線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器,估計出作用于系統(tǒng)的加速度的實時作用量,并在非線性狀態(tài)誤差反饋律中補(bǔ)償該估計值,由此設(shè)計了兩軸虛擬控制量。通過矩陣變換得到實際控制量,并作為兩軸驅(qū)動器輸入電壓控制量對耦合系統(tǒng)實現(xiàn)解耦控制。對驅(qū)動器配置在速度環(huán)的耦合系統(tǒng)設(shè)計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的兩階微分項,提高了控制器的性能。證明了火箭炮非線性時變耦合系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明觀測器帶寬不變時耦合系統(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)觀測器估計出擴(kuò)張狀態(tài)的實時作用量,由該估計值對系統(tǒng)進(jìn)行擾動補(bǔ)償,并結(jié)合自適應(yīng)魯棒控制,設(shè)計了基于擾動補(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)動態(tài)特性變差,將擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對未知擾動的估計值代替自適應(yīng)魯棒控制器中的高增益反饋,以補(bǔ)償系統(tǒng)擾動,設(shè)計了基于線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的自適應(yīng)魯棒控制器,并分析了該控制器的性能。5.分析了實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和基本組成,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。以火箭炮發(fā)射裝置樣機(jī)和伺服系統(tǒng)實驗平臺為基礎(chǔ),通過實驗對理論進(jìn)行驗證。實驗結(jié)果驗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
        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)動力學(xué)模型
        2.3.1 兩軸系統(tǒng)的運動學(xué)關(guān)系
        2.3.2 兩軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量
        2.3.3 兩軸系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩方程
        2.3.4 兩軸系統(tǒng)運動方程
    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
        2.5.1 摩擦力矩干擾
        2.5.2 不平衡力矩和慣性力矩擾動
        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)觀測器
        3.2.4 自抗擾控制器組成
    3.3 位置控制器設(shè)計
        3.3.1 線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器設(shè)計
        3.3.2 自抗擾控制器設(shè)計
        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
        4.3.3 系統(tǒng)仿真
    4.4 驅(qū)動器配置在速度環(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
        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)魯棒與擾動補(bǔ)償融合控制
    5.1 引言
    5.2 基于擾動補(bǔ)償?shù)鸟詈舷到y(tǒng)自適應(yīng)魯棒控制
        5.2.1 基于擾動補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)魯棒控制器設(shè)計
        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
        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)實驗研究
    6.1 引言
    6.2 火箭炮位置伺服系統(tǒng)實驗平臺組成
    6.3 位置控制器設(shè)計
        6.3.1 硬件電路組成
        6.3.2 控制器軟件設(shè)計
    6.4 系統(tǒng)實驗
        6.4.1 階躍響應(yīng)實驗
        6.4.2 正弦信號跟蹤實驗
    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
    7.3 工作展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2857072