建立被控对象模型的优化方法

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：炮控系统是一个较为复杂的系统，在研究过程中，可以先以炮塔电动机和其功放部件晶体驱动器为被控对象，进行研究。用示波器观测测速电动机的输出得到控制结果，检验自抗扰控制器的控制性能。图5.4系统原理2.高低向稳定器建模以图5.5所示高低向电液炮控伺服系统为对象讨论并建立其数学模型[106-110]，它由陀螺仪、放大器、液压系统、火炮等部件组成。

1.水平向稳定器建模

综上所述，可以得到炮控系统的模型，如图5.3所示。这里，La是电枢电感，Ra是电枢电阻，Ia是电枢电流，Kt是转矩系数，Ke是反电动势系数，J是电动机转动惯量，JL是负载惯量，Te是总扰动，Tem是电动机输出转矩，θr是参考位置输入，θ是位置输出，ωs是角速度。

图5.3　坦克伺服系统传递函数方框图

考虑如下系统

式中

并且

还有

坦克炮控系统功能包括垂直向稳定和水平向稳定，在坦克运动时，坦克炮控系统自动地将火炮与并列机枪保持在所赋予的垂直和水平空间角度上，实现火炮与并列机枪高低和水平方向瞄准，并可平稳地调整瞄准速度；实现火炮的快速调转，保证火控系统的快速性和机动性。炮控系统是一个较为复杂的系统，在研究过程中，可以先以炮塔电动机和其功放部件晶体驱动器为被控对象，进行研究。

炮塔电动机为直流电动机，将其视为典型二阶环节，其电枢电阻Ra为0.279 Ω，电枢电感La为0.66 mH，转矩系数Kt为0.179 N·m/A，反电动势系数Ke为0.179 V·s/rad，电动机转动惯量J为1.378×10-3 kg·m2。

系统的组成：炮塔电动机，晶体驱动器，220 V直流电源，400 Hz、36 V交流电源，PC，自制控制电路板。控制电路板由DSP及外围电路、通信接口、AD电路、DA电路、运放电路和滤波电路组成。自抗扰控制器在控制电路板中实现，电路板接收来自PC的指令，得到自抗扰控制器的计算结果，经过DA转换和运放，变为模拟量送入晶体驱动器中，在晶体驱动器中生成PWM功率信号，控制电动机转动。AD采集经过滤波的测速反馈信息给DSP进行处理。

系统原理图如图5.4所示，晶驱的饱和电压是460～560 mV，死区电压为8～18 mV，如果DA输出的范围不合适，需要再用运放进行整定。用示波器观测测速电动机的输出得到控制结果，检验自抗扰控制器的控制性能。上位机和人员操纵台均可实现调炮，任意时刻只能有一个起作用，其切换由上位机决定。操纵台设定给定速度，经数字积分后得到给定位置参量，该参量与由速率陀螺的速度反馈信号积分得到的反馈位置相减得到位置差；给定速度、反馈速度和位置差经过调节器运算后得到给定电流；空间矢量PWM波形发生器构成电流调节器，产生PWM波形，PWM波形送至功率变换单元，产生的三相交流电驱动方位电动机，经机械传动机构最终转化为火炮的旋转运动。电动机的测速传感器得到的反馈速度和给定速度构成速度内环，外环的位置环由陀螺测量的反馈位置和操纵台设定的给定位置构成。在这种结构中，由于速度环的存在，可以扩大调速范围、降低精瞄速度、提高瞄准精度，系统的刚性也可以做得较好。炮控系统是将坦克火炮及时驱动到火控系统所确定的位置上的自动控制系统。

图5.4　系统原理

2.高低向稳定器建模

以图5.5所示高低向电液炮控伺服系统为对象讨论并建立其数学模型[106-110]，它由陀螺仪、放大器、液压系统、火炮等部件组成。

1）高低向角度陀螺仪

（1）角度陀螺仪的输出表示如下

式中，uα为坦克高低向陀螺仪外环偏转角；φα是火炮高低方向的转角；Kcr=40 V/rad，是高低向旋转变压器互导，即角度陀螺仪放大倍数；ξ1的取值范围为[0，1]，本书中取ξ1=0.5。

图5.5　坦克高低向电液炮控伺服系统的结构框图

（2）速度陀螺仪的输出表示如下

式中，Kcs=1.32 V·s/rad，是高低向速度陀螺仪的放大倍数。

因此，陀螺仪的综合输出为uc，并有

2）高低向电子放大器

相敏整流和放大电路可视为无惯性放大环节，它的反电动势系数Ke=1 A/V，输出的差动直流信号ic与输入信号uc有如下关系式：