輕型無人作戰(zhàn)系統(tǒng)機電聯(lián)合仿真

黃金斗，司 訪，王永娟，管小榮

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

無人作戰(zhàn)系統(tǒng)能夠大幅降低士兵傷亡，逐漸成為世界各國未來輕武器發(fā)展的主流方向。輕型無人作戰(zhàn)系統(tǒng)是一個典型復雜機電系統(tǒng)，機械部分主要包括槍塔、作戰(zhàn)載荷、動力傳動機構(gòu)等，電氣部分主要包括驅(qū)動器、伺服電機、位置控制器等。以往無人作戰(zhàn)輕武器的設(shè)計過程為機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)單獨設(shè)計，兩者只能依據(jù)物理樣機試驗結(jié)果，分析判斷所存在的問題，再重新修改設(shè)計，修改后再次進行樣機驗證，直到滿足設(shè)計指標為止。在此過程中忽視了各系統(tǒng)之間的匹配性對整體性能的影響。近年來使用不同種類的仿真軟件聯(lián)合仿真，縮短復雜機電系統(tǒng)的研制周期，降低研制成本成為無人作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展過程中重要的技術(shù)保障。

毛保全較早地提出將ADAMS和Matlab的聯(lián)合仿真應用于遙控武器站的設(shè)計中，并提出一套較為完整的仿真流程[1]。馬吳寧采用多柔體系統(tǒng)動力學與伺服控制聯(lián)合仿真的方法，預測輕型武器站作戰(zhàn)使用過程的動力學擾動因素變化規(guī)律和影響程度，為提高輕型武器站穩(wěn)定搜索、跟蹤瞄準和發(fā)射響應補償?shù)瓤刂菩阅芴峁┓治鲆罁?jù)[2]。

本文分別研究基于ADAMS的多體動力學建模方法和基于Simulink的伺服控制系統(tǒng)建模方法，以現(xiàn)有的ADAMS和Simulink軟件接口，建立某輕型無人作戰(zhàn)機電聯(lián)合仿真模型，研究機電協(xié)同設(shè)計及聯(lián)合仿真方法，分析機械部分與電氣部分之間的相互關(guān)系。

1 某輕型無人作戰(zhàn)系統(tǒng)動力學建模

多體動力學建模過程主要包括建立模型、確定約束關(guān)系、添加載荷及驅(qū)動和模型驗證四大步驟。本研究以某輕型無人作戰(zhàn)系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)研究內(nèi)容簡化模型并對模型作如下假設(shè)：

1)分析機械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)之間的關(guān)系，不考慮各零件的小變形，因此假設(shè)機構(gòu)中除了彈簧外各構(gòu)件均為剛體，各零件之間均視為剛性連接；

2彈丸在槍管內(nèi)部運動時，槍和彈可視為一個整體，因此不考慮射擊時彈丸的運動，和彈丸與槍管間的相互作用力；

3)在不影響仿真結(jié)果的前提下，忽略部分非重要零件，以降低模型的復雜程度；

某輕型無人作戰(zhàn)系統(tǒng)是復雜的機械系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由火力系統(tǒng)、底座、托架、模塊化通用武器架、高低伺服電機及減速器、方向伺服電機及減速器等組成，結(jié)合槍塔實際運動形式，基于ADAMS建立無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的多體動力學模型如圖1所示。其中槍械主動力氣室壓力通過布拉溫經(jīng)驗公式計算后通過函數(shù)添加到槍機框上，高低電機和方向電機主動力由Simulink控制。

圖1 槍塔多體動力學模型

為驗證虛擬樣機模型的正確性，取其中最關(guān)鍵的火力系統(tǒng)進行多體動力學仿真，仿真過程采用腳本控制，仿真時間設(shè)置為0.35 s，設(shè)置發(fā)射4發(fā)子彈，仿真步數(shù)為5 000步。如圖2～圖4所示，分別為槍機框所受氣室壓力，位移隨時間變化的曲線和槍機框位移隨時間的試驗數(shù)據(jù)曲線[3]。

仿真結(jié)果中，槍機框的最大位移約為210 mm，與試驗數(shù)據(jù)基本相同。復進到位速度約為6 m/s，比試驗數(shù)據(jù)稍大，主要是由于仿真狀態(tài)相對較為理想，自動循環(huán)過程中能量消耗比實際情況小，并且在仿真中，將氣室壓力等以外力的形式加載在仿真模型上，模型受力與實際受力情況存在一定差別。但總體來看，仿真結(jié)果基本符合實際情況，因此認為機槍動力學模型正確。

圖2 槍機框受燃氣沖力曲線

圖3 槍機框位移曲線

圖4 槍機框位移試驗數(shù)據(jù)曲線

2 電氣控制建模

輕型無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)以永磁同步電機為核心，輔助以給永磁同步電機提供電能的電壓型PWM逆變器、用于確定電流相位的磁極位置檢測器構(gòu)成系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、用于電流控制的電流傳感器和電流控制器、速度和位置控制器和檢測器[4-10]。

本研究采用位置環(huán)模糊自適應滑膜控制以獲得較好的控制系統(tǒng)魯棒性。模糊滑模控制器系統(tǒng)參數(shù)精度要求低，因此在圖5所示的位置伺服控制系統(tǒng)中，將電氣部分按理想狀態(tài)考慮，把機械部分全都考慮成剛性體，將速度環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)等價為：

G(s)s=K/(1+τms)

式中：K表示速度環(huán)的增益；τm=L/R表示速度環(huán)的時間常數(shù)。速度環(huán)通過減速器與位置輸出相連，相當于乘以一個積分環(huán)節(jié)：1/(is)，其中i為減速比。因此系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可寫為:

則可以得到位置滑模控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 位置滑膜控制結(jié)構(gòu)簡圖

無人化作戰(zhàn)輕武器控制系統(tǒng)永磁同步電機采用矢量控制的方式，圖6給出了基于矢量控制的無人化作戰(zhàn)輕武器位置伺服系統(tǒng)控制原理。根據(jù)位置伺服系統(tǒng)控制原理，在Simulink中建立仿真模型，如圖7所示。

3 動力學與伺服控制聯(lián)合仿真

將在ADAMS軟件中建立的無人化作戰(zhàn)輕武器多體動力學模型與在Simulink中建立的伺服控制模型進行聯(lián)合仿真。接口設(shè)計如下：在ADAMS軟件中將高低和方向系統(tǒng)的驅(qū)動力矩、運動角度、運動角速度等定義為狀態(tài)變量，作為多體動力學模型的輸入輸出，利用ADAMS中與Simulink的接口，生成仿真文件，供Simulink調(diào)用，實現(xiàn)機電聯(lián)合仿真。在聯(lián)合仿真的過程中，Simulink和ADAMS的分析步是相同的，實時觀察仿真過程中機械結(jié)構(gòu)部分在控制系統(tǒng)中的運動規(guī)律[11]。無人化作戰(zhàn)輕武器機電聯(lián)合仿真模型如圖8所示。

圖6 基于矢量控制的伺服系統(tǒng)控制原理框圖

圖7 基于矢量控制的伺服系統(tǒng)控制框圖

圖8 機電聯(lián)合仿真模型框圖

3.1 隨動系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

給位置伺服系統(tǒng)下達如下指令：高低轉(zhuǎn)動0.34 rad，方向轉(zhuǎn)動0.34 rad，設(shè)置仿真時間為2.5 s。可得到火力系統(tǒng)高低位子和方向位置的轉(zhuǎn)角曲線等如圖9和圖10所示。

圖9 槍高低位置轉(zhuǎn)角曲線

圖10 槍方向位置轉(zhuǎn)角曲線

根據(jù)仿真結(jié)果可知，輕型無人作戰(zhàn)系統(tǒng)高低、方向系統(tǒng)在電機驅(qū)動力矩的驅(qū)動下，很快達到了指令規(guī)定的預定角度，符合選擇的某輕型無人作戰(zhàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性，仿真運動狀態(tài)與理論值、實際值相符，聯(lián)合仿真結(jié)果準確有效。

3.2 射擊負載仿真

為了驗證槍械射擊時，槍后坐力對高低電機、方向電機的負載的影響，設(shè)計五連發(fā)工況，對高低電機和方向電機的負載影響如圖11和圖12所示。

圖11 高低電機所受沖擊力矩

圖12 方向電機所受沖擊力矩

高低電機所受沖擊力矩峰值大約為55 N·m，高低電機受所沖擊力矩普遍存在兩個峰值，兩次峰值分別由擊發(fā)瞬間火藥燃氣對全槍產(chǎn)生的后坐力和機框后坐到位撞擊產(chǎn)生的后坐力所導致。在后4次射擊中，在兩次波峰之間高低電機一直存在35 N·m左右的負載力矩，這是因為在后坐過程中壓縮復進簧儲能時，槍械尾端受到后坐力持續(xù)的作用所造成的。每次擊發(fā)前高低電機都會受到一個與后坐力沖擊相反的沖擊，這是由于在槍機復進到位時的撞擊而產(chǎn)生的。相比于高低電機所受大約為55 N·m的峰值力矩，方向電機所受不足0.005 N·m的峰值力矩可以忽略不計。不同槍械在射擊過程中產(chǎn)生的沿槍管軸線方向的后坐力從幾十公斤到上百公斤不等，產(chǎn)生左右兩側(cè)的偏轉(zhuǎn)力很小，因此現(xiàn)有槍械在計算后坐力時僅考慮沿槍管軸線方向的力，左右兩側(cè)的力忽略不計，所以槍械后坐力對高低電機的負載影響較大，對方向電機的負載很小。因此，應在結(jié)構(gòu)允許的情況下，盡量使高低電機位于槍機自動循環(huán)的運動行程中，且盡量與槍管軸線位于同一平面內(nèi)，以減小槍械后坐力對電機產(chǎn)生的力矩，從而減小后坐力對高低電機的沖擊。

3.3 輕型無人化作戰(zhàn)系統(tǒng)的機電耦合分析

輕型無人作戰(zhàn)系統(tǒng)是一個多學科耦合的系統(tǒng)[12]，為探究機械系統(tǒng)的參數(shù)變化是否對控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，以某輕型無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的方向系統(tǒng)為例，將原有傳動齒輪模數(shù)增加一倍，其他機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)保持不變。傳動齒輪作為電機與架體之間的傳動媒介，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對機械系統(tǒng)和電機系統(tǒng)的影響較大，而且齒輪模數(shù)直接影響齒輪結(jié)構(gòu)，因此選用傳動齒輪的模數(shù)為變量具有較強代表性。仿真結(jié)果如圖13所示。從中可以看出，將傳動齒輪模數(shù)增加1倍，控制穩(wěn)定性下降，機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)匹配性下降，因此可以判斷機械系統(tǒng)的某些參數(shù)，將會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)存在相關(guān)性。在設(shè)計過程中，改變機械系統(tǒng)中的某一結(jié)構(gòu)，可能將導致原有控制系統(tǒng)對全系統(tǒng)的控制效果，影響產(chǎn)品的性能。

圖13 方向傳動齒輪模數(shù)對控制性能的影響

4 結(jié)論

槍械后坐力對高低電機沖擊負載較大，對方向電機沖擊負載可忽略；機械系統(tǒng)的參數(shù)變化會對控制性能產(chǎn)生影響。機械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)中部分設(shè)計參數(shù)之間相互影響，傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)相互獨立設(shè)計將會影響到產(chǎn)品的最終使用性能，因此無人化輕武器設(shè)計應當向著機電協(xié)同設(shè)計方向發(fā)展，將機電聯(lián)合仿真技術(shù)引入到無人化輕武器系統(tǒng)中，對武器裝備的研制具有一定的積極意義。