超輕型火炮自動調炮技術研究

賈彥斌，李熒興，曹 帥，武彥君，張 穩

（北方自動控制技術研究所，太原 030006）

0 引言

隨著戰場環境日益復雜，針對處突、反恐等區域性、低強度局部戰爭的任務需求，要求兵力和裝備快速空運和空降到戰場。超輕型火炮重量輕、支援火力強，可由直升機吊運，實現山地、灘涂、叢林、海島快速機動，可滿足快速反應部隊需求。其中，超輕型火炮的快速、高精度自動調炮是快速反應的一個重要組成部分。

火炮的超輕型設計會導致柔性的影響更加突出，同時，隨著火炮高低角度的增加，火炮重心上移，火炮基座相對于柔軟地面容易產生相對運動和晃動，影響調炮動態過程及精度。柔性環節是真實存在而無法消除的，但是可以柔化參考信號，使控制器的控制信號柔順地介入，不激勵火炮的柔性環節；采用前饋復合控制方案，使火炮對參考輸入快速響應。

另外，火炮采用慣性導航儀作為角度傳感器，敏感火炮身管在大地坐標系下的北向角及傾角，與調炮諸元進行比較，輸出速度控制量，控制火炮方位、高低運動趨近于調炮諸元，實現自動調炮控制。然而，火炮的控制量基于大地坐標系，在作用于炮塔坐標系之前，需要對控制量進行交叉解耦，將大地坐標系下的控制量映射到炮塔坐標系。

1 自動調炮控制原理

自動調炮控制的結構框圖如下頁圖1所示，控制器由柔化器、方位/高低控制器和解耦器等模塊組成；控制對象為火炮的方位和高低兩個機構，包括執行機構和運動機構兩個部分；慣性導航儀作為反饋組件安裝在炮身管上，敏感火炮方位/高低運動在大地坐標系下的映射。

方位/高低射擊諸元是階躍輸入信號，會激勵系統豐富的頻譜，包括火炮結構柔性頻率和基座與柔軟地面的相對柔性頻率。射擊諸元經過柔化器柔化處理，在一定程度上弱化了對系統各柔性環節的激勵，作為控制器的參考輸入，可有效地規避柔性環節的影響。

階躍輸入經過柔化處理后，可提取微分信號，作為復合控制器的前饋信號。柔性參考輸入可能導致系統響應緩慢，采用前饋的復合控制器能提升系統的響應速度。

解耦器根據慣性導航儀的傾角數據將大地坐標系下的控制量映射到炮塔坐標系，驅動火炮方位/高低運動。

圖1 自動調炮控制的結構框圖

2 自動調炮控制設計

2.1 柔化器

階躍輸入信號能夠激勵系統豐富的頻譜，常常作為系統傳遞函數辨識的激勵信號。但是，在控制系統的應用場合，不希望系統的某些頻段被激勵出來，如系統內柔性環節或基座與地面的非剛性連接造成的結構諧振。在文獻[1]中提到一種柔化輸入信號的方法——“跟蹤微分器”，用于安排過渡過程，能夠解決PID控制器的“快速性”和“超調”之間的矛盾，提高控制器“魯棒性”?！案櫸⒎制鳌备鶕ο蟮某惺苣芰?，按最快的方式安排過渡過程，選擇加速度先正后負，正部分面積與負部分面積相等，其加速度、速度和位置曲線如圖2所示。

圖2 “跟蹤微分器”加速度、速度和位置曲線

圖2（c）是期望階躍響應的柔化結果，具有加速度絕對值恒定（圖2（a））特點，能夠按最快的方式跟蹤階躍輸入信號。但是，加速度絕對值恒定存在加速度符號變化的沖擊，在加速度符號變化時，出現一個階躍信號，如圖2（a）所示。在超輕型火炮的自動調炮控制過程中，不期望出現加速度階躍的情況，因此，可以在“跟蹤微分器”的思路上進行改進，設計一種加速度連續變化的柔化曲線來安排過渡過程。

選擇加速度先正后負，正部分面積與負部分面積相等，但是加速度絕對值不是恒定不變的，而是按照正弦規律變化。正弦加速度周期是安排過渡過程所需的時間，定義為T，正弦加速度的模型定義為

速度模型為

位置模型為

這種以正弦加速度曲線安排過渡過程進行輸入柔化的模型叫做正弦柔化器。過渡過程時間T=10 s，根據式（1）～ 式（3）分別繪制加速度、速度和位置曲線，如下頁圖3所示。

2.2 復合控制算法

自動調炮控制算法采用PID加前饋的復合控制結構，如圖4所示，除飽和限制和輸出濾波外，控制算法由4部分組成：比例、積分、微分和前饋項。

圖3 正弦柔化器的加速度、速度和位置曲線

圖4 自動調炮控制算法結構框圖

考慮微分會引入和放大噪聲，所以對位置反饋信號微分并提取速率信號時，采用FIR低通濾波器將微分后的信號高頻部分濾除，保留低頻部分，反饋信號的速率提取為

其中，bk為FIR濾波參數，在MATLAB中使用fir1命令可實現基于窗函數的FIR濾波器設計；h為控制系統采樣時間；θf為位置反饋。

由于前饋信號v（t）是參考輸入信號的微分（式（2）），那么微分項的表達式為

前饋項的表達式為

由式（5）、式（7）和式（8），復合控制算法表達式為

另外，復合控制算法的輸出還具有飽和限制及輸出濾波環節。

2.3 解耦器設計

慣性導航儀安裝于火炮身管，隨火炮方位高低轉動，傳感火炮身管相對于大地坐標系下的方位/高低，而驅動火炮方位/高低運動的控制量則是在炮塔坐標系，火炮炮塔通常工作在非水平條件下，因此，控制和反饋之間存在交叉耦合。

在炮塔傾斜工作條件下，慣性導航儀敏感到的方位或高低任何一個方向的角度，都是火炮方位/高低的運動耦合。將水平坐標系下的控制量映射到炮塔坐標系，可解決該耦合問題。根據炮塔轉動過程中的橫傾（用R表示）和縱傾（用P表示），將水平坐標系下的控制量映射到炮塔坐標系。水平坐標系下的控制量用表示，炮塔坐標系下的控制量用表示，則解耦關系為

其中，T（P）和T（R）分別是橫傾和縱傾轉換矩陣

根據式（10）和式（11）可得

由于慣性導航儀是超輕型火炮的唯一反饋傳感器，它的安裝方式決定其只能測量火炮身管的傾角。慣性導航儀敏感的北向角和縱傾角分別為火炮身管的方位角和高低角；敏感的橫傾角為火炮身管的橫傾角，根據火炮身管耳軸與炮塔基座的連接關系可知，該橫傾角也是炮塔的橫傾角。

式（13）表明高低控制量EC是關于橫傾角R的非線性組合與縱傾角P余弦的乘積。由于縱傾角不可觀測，角度范圍[-6，6]°，則 cosP∈[0.99，1]，自動調炮控制系統具有足夠的穩定裕量消除該增益的變化，由此，高低控制量的解耦模型可以寫為

3 試驗與結果

3.1 試驗環境

自動調炮控制系統試驗環境如下頁圖5所示，控制箱自動調炮控制算法運行于DSP28335芯片，接收調炮諸元，實時采集慣性導航儀反饋信號，計算輸出火炮方位/高低控制量，實現自動調炮閉環控制。

計算機與控制箱之間通過調試器經由USB和JTAG接口連接，可讀取控制箱內的運行數據。計算機安裝MATLAB和Code Composer Studio IDE（以下簡寫為CCS）軟件，MATLAB和CCS之間通過Link for CCS IDE接口實現數據連接，可以利用MATLAB強大的數據分析和可視化功能，節省設計和調試程序的時間。

圖5 試驗環境

3.2 試驗結果

火炮最大速度和加速度分別為3°/s和6°/s2，自動調炮范圍設定為30°（500 mil），因此，火炮完成30°行程的最短時間為10.5 s，按照過渡過程為T=10.5 s安排過渡過程，則正弦加速度的幅值。過渡過程曲線采用歸一化處理，在實際系統中需要將過渡過程曲線乘實際幅值。

微分FIR濾波器采用Hamming窗函數設計，16階低通10 Hz濾波。輸出濾波器采用一階IIR濾波器，帶寬50 Hz?？刂破髌渌麉蹈鶕嶋H系統進行整定，保證控制系統運行穩定可靠。方位/高低控制系統相似，以高低系統的響應最為重點研究對象。

圖6 超輕型火炮自動調炮控制系統的響應曲線

圖6（a）是高低 500 mil給定響應曲線，圖6（b）是高低誤差響應曲線。由圖可知，采用安排過渡過程和復合控制的方法沒有激勵系統的柔性諧振頻率，但是也沒有消除諧振頻率的影響，如圖6（b）所示，而是將諧振頻率的影響控制在容許的范圍內。自動調炮系統最終的精度控制在0.5 mil范圍內。

4 結論

針對超輕型火炮具有柔性環節和基座晃動等特點，研究一種自動調炮技術，采用柔化輸入、復合控制算法、輸出解耦等方法，能夠滿足超輕型火炮的自動調炮控制要求。