基于迭代學習的供輸彈系統(tǒng)協(xié)調(diào)器控制研究

胡 鑫，靳小軍，潘 軍，趙宇和

(西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099)

供輸彈系統(tǒng)是中大口徑自行火炮的關鍵系統(tǒng)之一［1-3］，它可以大幅度提高自行火炮的裝填速度，從而提高火炮的射速。某大口徑自行火炮自動裝填系統(tǒng)由彈倉、藥倉、供彈機、協(xié)調(diào)器和輸彈機組成。供彈機負責將彈倉中的彈丸輸送到協(xié)調(diào)器的托彈盤上。協(xié)調(diào)器控制托彈盤翻入輸彈線，將彈丸運送到輸彈線上。輸彈機負責將輸彈線上的彈丸推入炮膛。輸彈過程中，輸彈機將彈丸強制推送一定距離，彈丸獲得一定的速度后靠慣性運動，以一定的速度卡膛。彈丸的卡膛一致性對彈丸在膛內(nèi)的運動性能和彈丸出炮口時的初速有較大影響，從而影響火炮的射擊精度［4-5］。影響彈丸卡膛一致性的因素主要包括輸彈機強制輸彈階段的末速度和彈丸軸線與身管軸線的位置誤差［6］，其中彈丸軸線與身管軸線的位置誤差由協(xié)調(diào)器的托彈盤翻入輸彈線的控制精度決定。目前，托彈盤翻入輸彈線通常采用行程開關控制，由于行程開關的位置受到火炮沖擊振動的影響，因此會影響托彈盤翻入輸彈線的控制精度，從而影響彈丸的卡膛一致性，影響火炮的射擊精度。為了提高彈丸的卡膛一致性，對托彈盤翻入輸彈線的控制適宜采用閉環(huán)控制。目前，閉環(huán)控制通常采用PID 算法，PID 算法結構簡單，工作可靠，但它對被控對象的參數(shù)比較敏感，位置控制精度容易受到協(xié)調(diào)器機械狀態(tài)的影響。

迭代學習控制不依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，能在系統(tǒng)運行過程中根據(jù)前一次的控制輸入和跟蹤誤差調(diào)整本次的控制輸入，使得系統(tǒng)的輸出趨向期望輸出。迭代學習控制實際上是在控制過程中能不斷地完善自己，使控制效果越來越好，它的控制精度受協(xié)調(diào)器機械狀態(tài)的影響較小，特別適合具有重復運動特性的控制系統(tǒng)。考慮到托彈盤翻入輸彈線具有重復運動特征，而且迭代學習控制在機械手控制等具有重復運動特征的控制領域獲得了很好的控制效果，因此本文將迭代學習控制用于協(xié)調(diào)器中的托彈盤翻轉(zhuǎn)機構的控制，采用迭代學習控制能夠有效抑制由于協(xié)調(diào)器機械狀態(tài)變化而導致的托彈盤翻入輸彈線位置誤差變大的問題。

1 迭代學習控制原理

迭代學習控制的原理是利用控制系統(tǒng)先前的控制經(jīng)驗，根據(jù)被控系統(tǒng)的期望輸出和實際輸出，來尋找一個理想的輸入特性曲線，使被控對象產(chǎn)生期望運動。“尋找”理想輸入特性曲線的過程也就是對被控對象作反復訓練的過程，這一過程的數(shù)學描述為:在有限的時間t∈(0，T)內(nèi)，已知被控對象的期望響應yd(t)，t∈(0，T)和每次運行的初始狀態(tài)條件，求解某種給定的輸入ud(t)，t∈(0，T)，使其響應逼近yd(t)，t∈(0，T)。迭代學習控制的模型如圖1 所示。

圖1 迭代學習控制的模型

圖1中，下標k 表示迭代學習的次數(shù)，Gc是被控對象，ILC 是迭代學習控制器。在第k 次運行時，系統(tǒng)的輸出誤差ek(t)= yd(t)- yk(t)。第k+1 次的控制量等于第k 次的控制量加上第k 次輸出誤差的校正量，即uk+1(t)= uk(t)+L(ek(t))，L 為線性或非線性算子。迭代學習控制器可以采用不同的學習律，不同的學習律決定計算輸出誤差校正量的算子不同，常見學習律的形式有P 型、PI 型、PD 型和PID 型。

迭代學習控制分為開環(huán)學習和閉環(huán)學習。開環(huán)PID 迭代學習算法中，第k +1 次的控制量等于第k 次的控制量加上第k 次輸出誤差的PID 校正項，即

閉環(huán)PID 迭代學習控制算法中，第k +1 次的控制量等于第k 次的控制量加上當前輸出誤差的PID 校正項，即

在式(1)和式(2)中:kp為比例因子;ki為積分因子;kd為微分因子。迭代學習控制算法一般的收斂條件是:在t∈(0，T)內(nèi)，‖ek(t)‖＜ε，ε 為允許的跟蹤精度。

迭代學習控制算法可以克服機械狀態(tài)的變化對位置控制精度的不利影響。與普通控制器不同，迭代學習控制器中有一個存儲單元，用于將每次的輸入及輸出誤差都保存在存儲器中，并刷新前次的控制量，在下次控制時可調(diào)用已保存的控制輸入并根據(jù)迭代學習律做相應的調(diào)整后作為速度環(huán)的輸入，以達到通過調(diào)整控制輸入來使系統(tǒng)精確跟蹤理想輸出的目的。

2 迭代學習控制器設計

協(xié)調(diào)器的托彈盤翻入輸彈線由永磁同步電機驅(qū)動，本文設計的永磁同步電機控制系統(tǒng)采用全數(shù)字三環(huán)控制，即位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)。全數(shù)字三環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2 所示。

圖2 全數(shù)字三環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖

速度環(huán)以位置控制器發(fā)出的控制量作為輸入，以速度傳感器測得的托彈盤翻轉(zhuǎn)速度作為反饋。電流環(huán)以速度控制器發(fā)出的控制量作為輸入，以霍爾傳感器測得的永磁同步電機定子電流作為反饋。位置環(huán)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器，獲得托彈盤翻入的角度。

速度控制器和電流控制器采用PI 控制器，PI 控制器結構簡單、算法易于理解和實現(xiàn)、參數(shù)調(diào)節(jié)方便、有較好的控制精度、可靠性高，被普遍應用在永磁同步電機控制系統(tǒng)中。位置控制器采用采用閉環(huán)PD 型迭代學習控制律，閉環(huán)PD型迭代控制律的表達式

速度環(huán)和電流環(huán)帶寬與位置環(huán)相比是數(shù)量級的差別，因此假設速度環(huán)和電流環(huán)可以實現(xiàn)理想跟蹤，只考慮位置環(huán)，則圖2 可簡化為如圖3 所示的結構框圖。圖3 中Gc為速度控制器和電流控制器的傳遞函數(shù)，Gp為被控對象。

圖3 迭代學習控制器結構框圖

3 仿真

圖4 協(xié)調(diào)器控制系統(tǒng)仿真框圖

圖5 40 次迭代學習控制過程中誤差均方根的收斂過程

從圖5 中可以看出:隨著迭代學習次數(shù)的增加，協(xié)調(diào)器控制的位置誤差越來越小，位置控制精度越來越高，20 次迭代后，位置控制的誤差趨于穩(wěn)定，有利于提高彈丸卡膛一致性。

4 結束語

針對托彈盤翻入輸彈線通常采用行程開關控制，而行程開關的位置容易受到火炮沖擊振動的影響，從而影響彈丸的卡膛一致性的問題，本文根據(jù)托彈盤翻入輸彈線控制具有重復運動特征，設計了基于迭代學習控制的位置控制器，仿真結果表明迭代學習控制器保證了位置控制誤差的一致性，從而有利于提高彈丸卡膛一致性。考慮到供輸彈系統(tǒng)的多個子系統(tǒng)均具有重復運動特征，后續(xù)研究中還可以將迭代學習控制應用在供輸彈系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)中，提高供輸彈系統(tǒng)的性能。

［1］梁輝，馬春茂，潘江峰，等.大口徑火炮彈藥自動裝填系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀和趨勢［J］.火炮發(fā)射與控制學報，2010(3):103-107.

［2］劉琮敏，孫大鵬，范志國，等.中大口徑火炮彈藥自動裝填技術［J］.火炮發(fā)射與控制學報，2013(3):93-96.

［3］徐達，張麗明，張月林.大口徑自行火炮自動裝填系統(tǒng)結構研究［J］.南京理工大學學報，1997，21(3):221-224.

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［5］李偉，馬吉勝，孫河洋，等.彈丸慣性卡膛沖擊問題動力學研究［J］.振動與沖擊，2011，30(5):161-163.

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