坦克炮控系统非线性建模与运动性能分析 (Ⅰ)

袁 东,马晓军,魏曙光,乔学敏,刘秋丽

(装甲兵工程学院控制工程系,北京 100072)

坦克炮控系统非线性建模与运动性能分析 (Ⅰ)

袁 东,马晓军,魏曙光,乔学敏,刘秋丽

(装甲兵工程学院控制工程系,北京 100072)

炮控系统是坦克火力控制主线的末端,其性能直接影响到坦克火力的发挥。由于其内部存在齿圈间隙、弹性形变、摩擦力矩、参数摄动和外界扰动等不确定非线性因素,造成炮控系统出现稳态“牵移”,驱动死区、延时与振荡、低速“爬行”和高速调炮“超回”等一系列问题,成为制约系统性能进一步提升的主要因素。通过分析炮控系统的结构和各种非线性因素及其规律特点,建立了炮控系统非线性数学模型;在此基础上,开展炮控系统运动性能的理论分析和试验研究,探讨了各种非线性因素对系统性能的影响,为炮控系统分析、设计与非线性补偿控制、进一步提高系统战技指标和充分发挥坦克火力性能提供理论依据和试验基础。

自动控制技术;坦克炮控系统;非线性;建模;运动分析

炮控系统是一个内部存在强本质非线性的复杂系统。而现有坦克炮控系统大都是按照线性定常系统采用经典控制理论设计的,难以从根本上克服系统内部存在的齿圈间隙、弹性形变、摩擦力矩、参数摄动和外界扰动等不确定非线性因素的影响[1-3],成为制约系统性能进一步提升的瓶颈问题。目前,针对炮控系统内部各种非线性因素的存在形式、运行机制、变化规律、数学模型及其对系统性能的影响等方面较为系统的分析还相对滞后,为此,从炮控系统的结构入手,分析系统内部各种非线性因素,建立包含各种非线性的炮控系统数学模型;在此基础上,开展炮控系统运动性能的理论分析和试验研究,探讨各种非线性因素对系统性能的影响,为炮控系统分析、设计与非线性补偿控制,进一步提高系统战技性能提供理论依据和试验基础。

1 炮控系统非线性数学建模

1.1 坦克炮控系统结构

图1为坦克炮控系统的一般结构[1]。按照功能,可将其分为动力系统和控制系统两部分。动力系统主要由供电装置、功率放大装置、驱动电机、动力传动装置和火炮/炮塔等构成;控制系统主要由炮控系统控制箱和驱动控制箱(有的炮控系统二者合在一起)、辅以相应的操纵装置(操纵台)和信号检测装置(陀螺仪、测速电机和LEM 模块等)构成,为了提高系统的性能,较新型的炮控系统还增加了前馈装置,构成复合控制结构[1,4]。

在图1所示的炮控系统中,动力装置和控制环节均不同程度的存在各种非线性因素,如动力传动装置(方向机、齿弧、丝杠等)中的齿圈间隙[5-7]和弹性形变[8-9]、炮塔(火炮)与座圈(耳轴)之间的摩擦力矩[10-11]和炮塔(火炮)本身的参数摄动等,且各种非线性因素呈现出强时变特性,它们成为影响系统性能的主要因素。

除上述非线性因素外,炮控系统中的控制环节还存在器件饱和、测量死区和噪声干扰等因素,本文暂不考虑。

1.2 炮控系统非线性建模与简化

根据文献[4],可建立包含各种非线性因素的坦克炮控系统的数学模型,如图2和图3所示。

图2中:KZKK为功率放大器增益;KD为炮塔电机电枢阻抗系数;β为电流环的反馈系数;Kic为电流环控制器增益;GASR为转速环控制器;J,Jm分别为电机和火炮/炮塔折合到电机轴上的转动惯量;ω,ωm分别为电机和火炮/炮塔转速;Tf,Tmf分别为摩擦力矩在炮塔电机和坦克火炮上的作用力矩,采用工程上应用较广泛的Stribeck模型[10,12-13],可将二者分别描述为:

式中,ωs,ωms,为 Stribeck摩擦模型中的临界速度;ω,ωm为电机和炮塔的转速;T,Tmc为库仑摩擦力矩幅值;Ts,Tms为最大静摩擦幅值。

τ(t)为齿隙环节输出力矩;其模型可描述为[7]

式中:kτ为系统刚性系数(此处忽略阻尼系数);Δθ(t)=θ-θm为齿隙相对位移;2α为齿隙宽度。

对上述模型进行简化,可得:

1.3 外界未建模扰动的影响分析

在炮控系统运行过程中,往往还受到外界未建模扰动的影响,作用可等效为图4所示的力矩 TL。

又系统受摩擦力矩Tmf作用,则总扰动力矩:

式(4)表明,系统的未建模扰动作用体现为参数的Tmc变化,故本文不再单独考虑未建模扰动对系统性能的影响。

2 运动性能分析方案设计

开展炮控系统运动性能分析,首先需要选取研究的对象,即选择什么样的运行状态进行分析。为此,本文首先分析炮控系统的性能要求,在此基础上,确定与性能要求相应的运动状态进行分析研究。

2.1 炮控系统的性能要求分析

炮控系统应具有驱动坦克炮进行瞄准和瞄准目标后保持火炮稳定等功能[1]。因此,其性能要求也可由系统的稳定性能和跟踪瞄准性能两部分组成。一般的,系统的稳定性能可由稳定精度描述,跟踪瞄准性能可采用最低瞄准速度和最大调炮速度等进行描述[1,14]。

2.1.1 稳定精度

稳定精度是克服车体运动过程中的抖振和其他外界扰动,保持火炮稳定,实现运动中射击的重要保证[1,4]。早期的炮塔电力传动装置中,由于未采用陀螺仪等反馈装置构成稳定系统,无法克服车体扰动的影响,只能进行停止间射击或短停射击。为提高火炮的机动能力,现有坦克基本上均安装了火炮稳定系统。为了提高系统的稳定精度,在一些新型炮控系统中,还采用前馈装置,构成复合控制结构。

2.1.2 最低瞄准速度

最低瞄准速度是指系统输出的不发生“爬行”且跟踪误差满足不均匀要求的最低跟踪速度,它是炮控系统进行远程打击、跟踪远程运动目标的重要指标[15]。如图5所示,设G为火炮位置,O为目标位置,且假设二者在同一水平面上。DGO为目标距离,vO为目标运动速度,θO为目标航向角。

根据文献[15]可计算得,使炮口实时跟踪目标的速度为:

式(5)表明,当目标距离较远且航向角较小时,需要火炮具有较低的(平稳)瞄准速度。即是说,最低瞄准速度是实现远程运动目标精确打击的关键所在,特别是随着战场的纵深化发展和火炮打击距离的增加,对系统低速性能的要求也会日益提高。

2.1.3 最大调炮速度

最大调炮速度体现的是系统的反应速度。当发现目标时,需要系统以最快的速度转向目标,实现先敌开火,这就需要炮控系统具有较高的最大调炮速度。最大调炮速度和最低瞄准速度结合在一起,有时又统一用指标“调速比”进行描述[1]。

此外,在高速调炮时,还要求系统具有良好的启制动性能,使得系统在接近目标时能够迅速停下来,并稳定在目标位置,实现快速精确调炮。

2.2 系统运动状态的选取

与炮控系统的上述性能要求相对应的,本文选取系统的稳定状态、低速运动状态和高速运动状态等3种状态作为主要研究对象对其运动性能进行分析,分析时采用理论分析与试验验证相结合的方法进行。

3 系统的稳定状态性能分析

则有:x1→0,x3→0,τ(x2)→0,但是 x2(即Δθ)并不一定趋近于0。

上述分析表明:从总体上看,系统是趋于稳定的;由于齿隙的存在,致使Δθ不一定趋近于0,导致系统位置驱动存在稳态误差,会影响系统的瞄准精度;摩擦非线性的存在有利于系统的稳定。但是,这种稳定是相对于车体而言的,当车体静止时,摩擦力矩可以一定程度上抑制外界扰动的影响;当车体在行进间转向时,摩擦力矩会导致炮塔随车体转向,即“牵移”现象[4],严重时会导致系统丢失目标。

发动坦克并使炮控系统采用开环控制状态,车体突然转向,测试到系统响应如图6所示。受摩擦力矩作用,炮塔随车体发生“牵移”。

4 结 论

本文从炮控系统的结构入手,分析了系统内部各种非线性因素,建立了包含各种非线性因素的炮控系统数学模型,分析了系统的性能要求,并基于此确定了系统运动性能分析方案,开展了炮控系统的稳定状态性能分析。下一步,将继续开展炮控系统低速运动性能与高速运动性能的理论与试验研究,探讨各种非线性因素对系统性能的影响。

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Nonlinearity Modelling and Running Performance Analysis of Tank Gun Control System(Ⅰ)

YUAN Dong,M A Xiao-jun,WEI Shu-guang,QIAO Xue-min,LIU Qiu-li

(Department of Control Engineering,Armored Force Engineering Academy,Beijing 100072,China)

Gun control system is the terminal of tank fire control primary-level,and its performances have direct influence on exertion of the gun firepower.Because there are many uncertain nonlinear factors in itself,for example,backlash,flexible distortion,friction moment,parameter varieties and external disturbance and so on,this nonlinearity become the significant factors that restrict enhancement of the system performances and result in a series of problems such as unsteady,driving time-lapse,dead-zone and surge,dithering in low speed crawl and high speed overshoot.The structure of gun control system and the nonlinearity were analyzed.The nonlinearity mathematical model of the system was built up.On the basis of this,the theoretical analysis and the experimental study of running performance were carried out,the influences of the diversified nonlinearity on the system were discussed.The study can provide the theoretic basis and experiment foundation for analysis and design of the gun control system and compensation control of nonlinearity so as to improve system performances and adequately exert the fire power characteristics of the tank gun.

automatic control technology;tank gun control system;nonlinearity;modelling;running performance analysis

TJ81.376

A

1673-6524(2010)04-0032-05

2009-11-16;

2010-07-19

袁 东(1981-),男,博士研究生,主要从事武器系统运动控制研究。E-mail:yuan_dong2005@163.com