炮控伺服系统非线性因素分析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：对火炮随动系统来说，低速不平稳将导致不能准确地跟踪目标。测量元件不工作在死区，这时，系统处于开环状态。应该尽量使伺服系统工作在线性区，同时保证系统响应快速、平稳。其中，坦克减速器齿轮的啮合间隙是一种不可忽视的非线性因素。

非线性是指元件或环节的静特性不是按照线性变化的，坦克炮控系统中主要存在以下几种非线性因素[80，92，93]。

1.摩擦

摩擦主要存在于系统中转动的部分，具有相对运动或相对运动趋势的两个接触面上会产生摩擦力。系统转动的摩擦可以分为干摩擦和黏滞摩擦，在低速时，通常认为黏滞摩擦和转速之间是线性关系。干摩擦所产生的阻力矩大小与转速无关。当转动方向改变，即转速的符号改变时，干摩擦力矩的符号将立即随之改变。摩擦所造成的影响，从静态方面看，相当于执行机构中引入死区，从而造成系统的静态误差，这一点与死区的影响相类似，当输入轴低速平稳旋转时，摩擦非线性很可能使系统低速运动不平稳，摩擦会使位置伺服系统产生死区或极限环，造成系统的静态误差。对火炮随动系统来说，低速不平稳将导致不能准确地跟踪目标。另外，摩擦的非线性作用明显地加长了系统的过渡过程时间。系统中采用执行电机转速的微分反馈，就是改善系统低速平稳性的一个措施。在稳态时，摩擦力表现为相对速度的函数。

2.死区

测量元件存在的静差、执行机构的死区和放大器中的不灵敏区都会构成随动系统中的死区。测量元件不工作在死区，这时，系统处于开环状态。当然，死区也不是没用的，其在无输入信号时过滤掉了输入端的干扰，随着输入信号的直线增大，会导致系统在输出时间上的滞后，产生静差。造成死区的原因有很多，比如启动时的静摩擦力、触点压力、电器触点间的间隙、传动耦合部件中的间隙、各种电路中的阈值、弹簧的预张力等。

死区最直接的影响就是造成稳态误差，当输入斜坡函数时会造成系统输出量的滞后，从而降低了系统的跟踪精度。稳定跟踪伺服系统方位最大角加速度指标的确定应考虑瞄准线稳定时所需补偿量的角度值，还要与跟踪镜高低角的值成正比。由此，我们必须对方位角的速度值提出限制，或对稳定“死区”提出要求。

3.饱和

饱和是控制系统中最常见的非线性特性，这是由执行机构电压和功率的限制所引起的。它主要存在于放大器中，因为执行机构的电压和功率限制，放大器的输出相对于输入不再呈线性关系。饱和使得大控制信号作用下的等效增益降低，甚至可能出现小信号时稳定、大信号时不稳定的现象。坦克炮控系统在做大角度高速调炮时，由于受执行电动机最高转速和最大扭矩的限制，控制系统出现饱和现象，受饱和因素的制约，伺服系统原先能够达到的控制精度也许不再能够获得。当出现饱和现象时，可能不会再获得伺服系统原先能够达到的精度。应该尽量使伺服系统工作在线性区，同时保证系统响应快速、平稳。

4.间隙

由于机械加工精度和装配上的差异，传动机构中就不可避免地会产生间隙。其中，坦克减速器齿轮的啮合间隙是一种不可忽视的非线性因素。间隙特性的影响主要表现在输出两相位滞后、输出波形削顶、系统的动态品质变坏、振动次数增加等方面。在很多情况下，间隙会造成随动系统的自振荡和反应滞后，因为间隙特性的影响，系统会以一定的频率和振幅做正弦振荡。这主要是因为当电动机反向协调时，输出轴的角位移不发生变化，直到消除了间隙，输出轴才会反向消除失调。当间隙小于系统静态误差时，可忽略其影响。

炮控伺服系统非线性因素分析

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