炮控系統(tǒng)三維建模與性能分析

【信息科學(xué)與控制工程】

炮控系統(tǒng)三維建模與性能分析

李嘉麒，袁東，陽貴兵，劉春光

(裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京100072)

摘要：炮控系統(tǒng)的性能分析長期以數(shù)學(xué)模型分析為主，分析結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映炮塔的運動性能。針對這一問題，建立了基于某型裝甲車輛炮控系統(tǒng)的三維模型，在此基礎(chǔ)上對炮控系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型的穩(wěn)定狀態(tài)、低速運動狀態(tài)進(jìn)行了分析，并在ADAMS中對造成炮控系統(tǒng)驅(qū)動死區(qū)和驅(qū)動延時等問題的非線性因素進(jìn)行了仿真實驗分析，研究結(jié)果為將來的炮控系統(tǒng)研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：坦克炮控系統(tǒng)；三維建模；運動性能分析；非線性系統(tǒng)

收稿日期：2015-06-03

作者簡介：李嘉麒(1991—)，男，碩士，主要從事炮控系統(tǒng)研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.029

中圖分類號：TJ81

文章編號：1006-0707(2015)09-0114-03

本文引用格式：李嘉麒，袁東，陽貴兵，等.炮控系統(tǒng)三維建模與性能分析[J].四川兵工學(xué)報，2015(9):114-117.

Citationformat:LIJia-qi,YUANDong,YANGGui-bing,etal.3DModelingandPerformanceAnalyzingonGun-ControlSystem[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(9):114-117.

3DModelingandPerformanceAnalyzingonGun-ControlSystem

LIJia-qi,YUANDong,YANGGui-bing,LIUChun-guang

(DepartmentofControlEngineering,AcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,China)

Abstract:The analysis of gun-control system based on mathematic model cannot reflect the system’s performance correctly for a long time. Aimed to solve this problem, a 3D model of gun control system based on a certain kind of vehicle was established. Based on the analysis of the nonlinear mathematic model on its steady state, low speed state and high speed state, the system was simulated in ADAMS, especially for the nonlinear factors that have a crucial influence on the gun control system to deliver the driving dead zone, the driving delays and so on. Above all, the works are ready for the future study for supplying an intact theory and an exact model.

Keywords:tankgun-controlsystem; 3Dmodeling;performanceanalyzing;nonlinearsystem

坦克炮控系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，在坦克火炮的運行和射擊中起著非常重要的作用[1]。對坦克炮控系統(tǒng)的研究已經(jīng)相對成熟，但更為先進(jìn)的數(shù)字化全電炮控系統(tǒng)的研究卻一直以數(shù)學(xué)模型為主，缺少能夠真實反映坦克炮塔和火炮運動的三維實體模型[2,3]。因此在理論研究中存在一定的缺陷，尤其是難以研究系統(tǒng)內(nèi)部存在的摩擦力矩、齒圈間隙和彈性形變等非線性因素對坦克炮塔所造成的影響[4]。事實上，以上這些存在炮控系統(tǒng)內(nèi)部的不確定非線性因素已經(jīng)成為了坦克炮控系統(tǒng)性能進(jìn)一步提升的阻礙，如果能夠?qū)τ绊懪诳叵到y(tǒng)的非線性因素有一個清晰的了解和掌握，對坦克炮控系統(tǒng)的未來發(fā)展將會有很大的好處[5]。

因此，本研究在炮控系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，借助Creo軟件建立炮控系統(tǒng)的三維模型，導(dǎo)入運動學(xué)仿真軟件ADAMS中，針對炮控系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)與低速運動狀態(tài)開展運動性能仿真研究，并借助ADAMS后處理器模塊對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

1炮控系統(tǒng)建模

1.1炮控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

炮控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型主要由動力部分和控制部分共同組合而成[6]，炮控系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)隨系統(tǒng)對性能的要求不同而不同。以電流-轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)為例，對炮控系統(tǒng)進(jìn)行一般性分析。將電流環(huán)等效為比例控制，則可以建立炮控系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型如圖1所示[7]。

圖1　炮控系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型

在圖1中ωd為炮塔轉(zhuǎn)速，GASR為速度環(huán)控制器，Kic為電流環(huán)控制器增益，KZKK為功率放大器放大倍數(shù)，KD為電機(jī)電樞阻抗系數(shù)，β為電流反饋系數(shù)，J為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，Jm為炮塔轉(zhuǎn)動慣量，τ(s)為驅(qū)動力矩，Tf=f(ω)為電機(jī)上的摩擦力矩，Tmf=f(ωm)為炮塔上的摩擦力矩。

再令x1=ω，x2=Δθ，x3=ωm。則炮控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)狀態(tài)方程可以簡化表示為

(1)

1.2炮控系統(tǒng)三維模型

根據(jù)某型裝甲車的炮控系統(tǒng)參數(shù)，在Creo中分別建立各個零部件的三維模型，并通過Creo中的裝配功能將各部件裝配成為一個炮塔整體。完成整體模型裝配后，將其導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行運動約束的添加。具體建模模型如圖2所示。

圖2　炮控系統(tǒng)三維建模

炮塔在水平面與垂直面的轉(zhuǎn)動過程中沒有劇烈的震動與碰撞，不會造成零部件的彈性變形。因此，為方便研究，將炮塔系統(tǒng)的各個部件都設(shè)為剛體，忽略耳軸與炮管之間的間隙，不考慮車輛的結(jié)構(gòu)震動。在水平面內(nèi)，火炮通過耳軸與炮塔相對固定。火炮與炮塔作為整體，隨著方向機(jī)在座圈上的轉(zhuǎn)動而相對于車體做旋轉(zhuǎn)運動。在垂直面內(nèi)，火炮通過耳軸與炮塔相連，在車體垂直面內(nèi)圍繞耳軸做俯仰運動。

2炮塔的運動學(xué)性能分析

傳統(tǒng)的炮控系統(tǒng)主要依靠炮長手搖操控高低機(jī)與方向機(jī)對坦克炮塔進(jìn)行控制。這種人工操作模式主要存在以下幾個問題[3]：

1) 火炮調(diào)炮速率低，導(dǎo)致瞄準(zhǔn)慢，影響開火速度；

2) 瞄準(zhǔn)過程中更多的是靠炮長的經(jīng)驗與感覺，瞄準(zhǔn)精度得不到保證；

3) 炮控系統(tǒng)的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)存在保養(yǎng)問題，無論是潤滑度不夠或是機(jī)械老化等等問題都有可能影響炮控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

基于以上問題的考慮，發(fā)展了數(shù)字交流全電炮控系統(tǒng)，即在水平方向和高低方向上都采用電傳動控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的液壓傳動式炮控系統(tǒng)相比，數(shù)字交流全電炮控系統(tǒng)具有更可靠，更穩(wěn)定，更便于維修和拆裝的特點，同時擁有更大的調(diào)速范圍[5]。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究數(shù)字交流全電炮控系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)，在炮控系統(tǒng)的三維模型上進(jìn)行模擬仿真，對炮控系統(tǒng)進(jìn)行深入的性能分析。

炮控系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求主要有[8]：最大穩(wěn)定力矩、調(diào)炮超回量、瞄準(zhǔn)精度、最低瞄準(zhǔn)速度和最大調(diào)炮速度等。分析可知，這些指標(biāo)的功能主要都是描述炮塔在穩(wěn)定狀態(tài)、低速運動狀態(tài)和高速運動狀態(tài)下的運動性能。鑒于穩(wěn)定狀態(tài)與低速運動狀態(tài)下的炮控系統(tǒng)運動較為復(fù)雜，且容易出現(xiàn)諸如“爬行”、“驅(qū)動延時”和“驅(qū)動死區(qū)”等故障[5-6]。為分析炮控系統(tǒng)運動性能，以便于在將來的研究中能更好地解決以上故障，本研究僅選取水平方向上的穩(wěn)定狀態(tài)、低速運動這2種運動狀態(tài)作為對象，對炮控系統(tǒng)的運動性能進(jìn)行分析，并對炮控系統(tǒng)三維模型進(jìn)行運動學(xué)仿真。

2.1穩(wěn)定狀態(tài)

考慮Lyapunov函數(shù)式如下

(2)

將式(2)沿式(1)求導(dǎo)，求導(dǎo)并化簡后可得

由此可知系統(tǒng)穩(wěn)定。

分析可知，式中存在x1→0，x3→0，但當(dāng)τ(x2)→0時，不一定存在x2→0。

由以上分析可知，炮塔系統(tǒng)是趨近于穩(wěn)定的，但因為齒隙的存在，導(dǎo)致x2無法趨近于0，所以系統(tǒng)的穩(wěn)定位置存在一定的誤差，會對系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度產(chǎn)生一定影響。

2.2低速運動狀態(tài)

1) 驅(qū)動延時

齒隙存在時，τ(Δθ)=0，驅(qū)動齒輪在驅(qū)動力矩Tdv，摩擦力矩Tf(=Tc)和反電勢力矩的作用下運動。根據(jù)圖1，得到系統(tǒng)的運動方程如下

可解得

根據(jù)泰勒定理可將上式化簡為

(3)

此時，由于炮塔靜止，θm=0，因此

分析可知，Δθ是一個單調(diào)遞增函數(shù)，且存在ta，當(dāng)且僅當(dāng)t=ta時，有Δθ=δ，此時齒隙消失。期間，由于齒圈間隙的存在，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生了時長為ta的驅(qū)動延時。

2) 驅(qū)動死區(qū)

齒隙消失后，炮塔在摩擦力矩的作用下仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，驅(qū)動齒輪在驅(qū)動力矩Tdv，摩擦力矩Tf(=Tc)，反電勢力矩和齒輪機(jī)構(gòu)的反作用力矩τ(Δθ)的作用下運動。此時，由于θm=0，有τ(Δθ)=kτ(θ-δ)。根據(jù)圖1，得到系統(tǒng)的運動方程如下

(4)

此時，驅(qū)動齒輪與炮塔間的齒圈間隙為0，即驅(qū)動齒輪與炮塔相接觸，同時炮塔靜止，故驅(qū)動齒輪的速度ω極小，忽略Kufω后，式(4)可簡化為

因此，ω和θ的關(guān)系函數(shù)式為

其中，ωa是齒隙消失后驅(qū)動齒輪的速度，由式(3)可知其值為

3仿真分析

在ADAMS軟件中對炮控系統(tǒng)進(jìn)行約束添加，變量設(shè)定，并定義炮控系統(tǒng)的輸入輸出變量，將車體的旋轉(zhuǎn)速度以及方向機(jī)驅(qū)動齒輪的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為輸入量，炮塔的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為輸出量。炮塔系統(tǒng)的動摩擦因數(shù)設(shè)為0.3，靜摩擦因數(shù)設(shè)為0.5[9]。

3.1穩(wěn)定狀態(tài)

炮控系統(tǒng)整體上看是穩(wěn)定的，車體與炮塔間的摩擦力矩也有助于炮控系統(tǒng)的穩(wěn)定。但這種穩(wěn)定是在車輛靜止時，摩擦力矩抑制外界對炮控系統(tǒng)的影響。

給車體施加大小為sin(t)的旋轉(zhuǎn)速度，對炮控系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到圖3所示仿真圖形。可知，車輛旋轉(zhuǎn)后，炮塔會在摩擦力矩的作用下隨之旋轉(zhuǎn)，即當(dāng)車輛旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生“牽移”現(xiàn)象。

圖3　炮控系統(tǒng)“牽移”

要抑制“牽移”現(xiàn)象，讓炮控系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，需要隨時檢測炮塔速度并將其反饋至炮控系統(tǒng)，炮控系統(tǒng)產(chǎn)生一個與之對應(yīng)的反向力矩來阻礙火炮的運動。顯然，炮控系統(tǒng)對炮塔速度的檢測與響應(yīng)必須非常快才能滿足穩(wěn)定的要求，所以傳感器和控制環(huán)節(jié)仍然需要進(jìn)一步地提高。

3.2低速運動狀態(tài)

在方向機(jī)驅(qū)動齒輪上施加大小為5sin(6t)的旋轉(zhuǎn)速度，得到驅(qū)動齒輪的響應(yīng)結(jié)果如圖4所示。炮塔的響應(yīng)結(jié)果如圖5所示。

圖4　驅(qū)動齒輪速度曲線

圖5　炮塔速度曲線

分析可知，在t1時刻，方向機(jī)驅(qū)動齒輪在電機(jī)帶動下轉(zhuǎn)速開始減小。從t1時刻到t2時刻，齒輪與炮塔之間無接觸，系統(tǒng)進(jìn)入齒隙間運動，炮塔沒有了力矩驅(qū)動，保持原有運動狀態(tài)。直到t2時刻結(jié)束，炮塔重新出現(xiàn)速度改變。在時間長度為Δt=t2-t1的時間內(nèi)，炮塔系統(tǒng)出現(xiàn)了驅(qū)動延時。同時，因為給定信號頻率較高，所以驅(qū)動死區(qū)表現(xiàn)不明顯。

再給定旋轉(zhuǎn)速度為5sin(t)°/s，得到炮塔的響應(yīng)結(jié)果如圖6所示。

圖6　低頻信號下炮塔速度曲線

當(dāng)方向機(jī)的驅(qū)動齒輪速度過零點，即炮塔速度過零點時，因為炮塔受到的驅(qū)動力矩此時比較小，所以在摩擦力矩的影響下炮塔系統(tǒng)將出現(xiàn)驅(qū)動死區(qū)，如圖6中t3、t4、t5時刻所示。

4結(jié)論

本研究利用三維建模軟件Creo與運動學(xué)仿真軟件ADAMS開展了炮控系統(tǒng)的性能仿真研究，探討了在穩(wěn)定狀態(tài)和低速運動狀態(tài)中存在的“牽移”、驅(qū)動延時和驅(qū)動死區(qū)等問題，為將來的炮控系統(tǒng)的進(jìn)一步研究以及炮控系統(tǒng)非線性控制策略的研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯楊繼森)