負載敏感式無人機發射平臺調平系統控制仿真

鄧傳濤，胡國友，冷新龍，賀紅林*

(1.南昌航空大學航空制造工程學院，江西南昌 330063；2.江西洪都國際機電有限責任公司，江西南昌 330024)

1 引言

隨著國防建設和國民經濟的快速發展，飛行器的研制得到了飛速的發展。無論是導彈的發射還是無人機的發射，為使飛行更加平穩，對飛行器發射平臺的發射姿態水平調節尤為重要。而提高控制精度和控制速度一直以來又是各行各業的敏感話題，在許多行業中，特別是需要高精控制場合中，擁有較大的市場前景。許多軍用與民用設備正常工作時都需要一個高精度的水平平臺，如車載雷達、車載火炮發射裝置、靜力壓樁機等。對平臺水平度的調節是這些設備達到工作條件必要的一個環節。近年來，計算機和電子技術的發展，自動調平已逐漸取代傳統的手動調平。目前，在軍用產品方面，平臺調姿應用最廣的是雷達天線車，大部分車載平臺調平方法及控制系統的研究都是基于雷達天線車展開的。而在武器或無人機等飛行器發射平臺調姿方面的研究相對較少，其相關指標要求高，不像工程車輛要求低，而且導彈的作戰使用環境，以及無人機的各種特殊使用場合，使得這類飛行器的自動調平系統相對雷達天線車往往更為復雜多變，這不僅要求調姿系統高效高精度，更要求調姿系統地形適應能力強。鑒于這一技術的重要性和特殊性，研究高精度、高效率的自動調平系統就顯得非常必要[1-3]。負載敏感控制系統是最近發展起來的一種無關于負載的液壓系統，可以很好地解決液壓系統的輸出特性與負載特性相適應的問題，增強系統的自適應能力。負載敏感技術的使用能夠有效的減少系統的發熱，這樣就減小了系統的功率損失，延長了液壓系統的使用壽命，常規液壓系統的工作效率遠比不上負載敏感系統的工作效率，它也可以使機械設備的結構更加緊湊，具有構造未來傳動及控制系統的潛力[4-9]。早期的車載發射平臺采用的調平系統多是手動式調平器，如俄羅斯SA-2和BM-21地空導彈發射車，采用的是三點手動式螺旋千斤頂調平器，這類調平器調平時間長，調平精度低[10]。隨著技術的發展和武器裝備要求的提高，出現了機電式及液壓式千斤頂，通過對自動控制系統的應用，開發出了飛行器發射平臺的自動調平系統，該系統具有調平速度快和調平精度高的優點[11]。為了研究更加高效率，高精度和具有穩定性的調平液壓控制系統[12-13]，借助AMEsim仿真軟件對所建立的調平液壓系統仿真模型進行仿真分析，模擬復雜工況下的無人機發射平臺自動調平過程。

2 平臺的調平策略

2.1 自動調平方案設計

任意系統的調平都可以簡化為對某一平臺的平面進行調平。根據基本理論的分析可知，只有當被調平的直線相互垂直時，它們在各自的調平過程中才沒有耦合。常見調平平臺三點液壓支撐結構的抗傾覆能力一般，調平的精度也不高，達不到高精度無人機發射平臺所要求的水平。六點液壓支撐相對于四點液壓支撐來說，結構較為復雜，并且存在靜不定現象，而且易出現“虛腿”現象。故無人機發射平臺自動調平系統采用四點剛性支撐，平臺結構大致如圖1。

圖1 四點剛性支撐平臺結構示意圖

調平控制技術是以控制策略及特種平臺支腿為核心，利用負載敏感系統來應對復雜的環境場合。

圖2所示為單腿電液比例調平控制示意圖。用壓力傳感器檢測支腿的有效觸地，用位移傳感器檢測支腿的伸出狀態、控制平臺支腿的動作，并依據調平控制策略實現發射平臺的快速、自動調平，同時利用機械鎖緊技術(或液壓鎖緊技術)在規定時間內維持平臺水平姿態。圖中位移傳感器檢測到活塞桿的實際位移并將其轉換成電壓信號，與給定的預期位移電壓信號比較得出偏差量，PID控制器便根據此偏差量得出控制電壓值，在功率放大器中將得到的控制電壓放大并以電流形式輸出用于驅動比例電磁鐵。比例電磁鐵得電后產生一定的輸出力推動電液比例控制閥，從而調節支腿液壓缸兩腔進出油量，來實現對活塞桿的位移控制。

圖2 單腿電液比例調平控制示意圖

2.2 自動調平流程分析

下圖為詳細調平系統流程圖。

圖3 自動調平流程圖

在調平方案中，關鍵分為兩大步進行，一是開啟調平后的水平調節防“虛腿”調節過程，另一個是通過反饋信號判斷是否達到傳感器的預設值。該平臺在調平過程中結合傳感器收集的數據，既通過判斷水平傳感器的橫向和縱向角度又進行追逐式調平(最高點不動，其余的三點向上運動，最終使平臺達到水平狀態的方法)。當平臺結構示意圖中α和β都為0時，就表示平臺的狀態恰好為水平狀態。與此同時，為了預防虛腿的出現，在調平的兩個步驟都有相應的檢查流程，確保調平結束沒有虛腿。在各支腿都達到設定壓力值且平臺也符合水平度要求時，整個調平流程才宣告結束。若滿足如上條件，則表明此次自動調平結束。

3 調平液壓系統的設計與建模

3.1 系統的組成

調平液壓系統由檢測裝置、控制裝置和調平執行機構組成，檢測裝置為平臺上安裝的雙軸水平傳感器，以及安裝于各支腿上的微動開關和壓力傳感器。采用雙軸傳感器來檢測平臺的水平度，能夠實時高精度的測量發射車水平度，它作為控制系統進行發射車水平度調節的反饋元件，為系統調平控制提供依據。它的檢測值精度也會直接影響到調平系統的調平精度，所以必須選用滿足軍品級環境要求的雙軸傳感器。調平系統的執行機構主要由帶自鎖功能的比例方向閥控制的單桿活塞液壓缸和電磁閥組成。同時在每條支腿上連接液壓鎖，以防平臺在調平后由于支腿上下腔油路泄漏導致軟腿或平臺在未受控制時自行下降，造成平臺失穩，影響后續工作。

如圖4左側，本平臺采用四條圖示支腿來對平臺進行調平。系統主要由柱塞泵、壓油濾油器、三位四通比例方向閥、溢流閥、液壓鎖、位移傳感器、負載、調平支腿液壓缸、PID控制模塊組成。以調平平臺的一條支腿為例，圖4右側為比例閥控系統單條支腿原理圖。在比例閥入口設置了一個減壓閥，它是采用流體的節流原理，來保證每個工作支腿的比例閥進出口的壓力差保持不變，這樣就可以保證多條支腿同時動作時，互不干擾。同時，通過直通式的定差減壓閥的作用，不論負載怎么變化，都能保證比例方向閥進出口的壓差不變，因此，可以得出比例方向閥的流量和閥口的開度成正比關系。壓力油從減壓閥進入比例方向閥后，當需要支腿做伸出動作時，比例方向閥的左位通電，壓力油通過比例方向閥后通過液壓鎖，由于有壓力油液壓鎖不會鎖緊，壓力油進入液壓缸的無桿腔，推動支腿液壓缸伸出，支腿位移在位移傳感器的反饋下反饋到PID控制模塊，來調節比例方向閥的開度，從而達到更加快速、精準的調節平臺的水平度。

圖4 調平平臺實體圖與比例閥控系統支腿原理圖

3.2 系統的建模與模型分析

依據無人機發射平臺的液壓調平系統原理，利用AMEsim(高級建模仿真環境)軟件對該發射平臺建模。這種圖形化的建模方法，將使用者從復雜的數學建模過程中解放出來，從而更加專注于對系統本身的優化設計。在滿足性能要求的條件下，對上述平臺液壓系統從建立如下模型，如圖5，圖5左邊為整體平臺負載敏感比例閥控系統仿真模型，右邊為單支腿仿真模型。先在單條支腿的仿真模型中測試控制狀況，在選擇好合適的PID參數后，將所得的經驗用到整體平臺負載敏感比例閥控系統仿真模型中，進一步驗證調平系統的控制穩定性。

圖5 負載敏感比例閥控系統仿真模型

4 系統的仿真結果分析

將上圖的負載敏感比例閥控系統仿真模型在AMEsim軟件草圖模式中選擇合適的元件繪制好，選取相對應的子模型，然后設置好與實際平臺匹配的參數，最后在仿真模式中，對平臺調平系統進行仿真，下面對仿真的結果分析。

1)支腿液壓缸的流量特性

圖6是仿真而得的支腿液壓缸流量變化情況。從圖中可以看出前1s內支腿流量波動比較嚴重，是因為在打開比例換向閥的同時液壓缸支撐較大負載，對液壓系統有較大的沖擊，造成流量在此刻波動，當在比例方向閥換向時，這樣的情況也發生在無桿腔在33s附近的流量變化?？傮w上來說，液壓支腿的流量特性曲線比較穩定，對調平支腿的控制非常平穩，同時在支腿液壓缸流量特性曲線中，無論支腿是在伸出還是收回，無桿腔的流量總是高于有桿腔的，這樣的原因是液壓缸的液壓腔內有桿腔和無桿腔的作用面積不同。前10s內有桿腔的流量變化是先逐漸變大，維持相對穩定后，再逐漸變小，這是負載敏感閥控系統在起作用，針對一開始的預設信號與初始的支腿位置距離較大時，比例方向閥的開度就較大，直至最大，當支腿伸出至快接近目標位置時，對應閥的開度變小，以便于能使支腿更加精準可控的達到目標位置，實現平臺的調平。

圖6 調平系統支腿液壓缸流量特性曲線

2)支腿液壓缸的壓力特性

各支腿液壓缸的壓力特性曲線雖不盡相同，但其中的變化情況類似。以一條支腿的壓力特性曲線為例展開分析。由圖7可知，雖然在前1s內出現了壓力波動，但于整個調平過程而言，液壓缸的壓力特性曲線平滑，在大負載的情況下，說明系統的控制過程平穩，系統的魯棒性良好。在圖7的有桿腔曲線中可以看出0～24.35s內，有桿腔的壓力在前1s內短暫上升后，持續下降，這個過程中，支腿位移傳感器不斷反饋支腿伸出狀態回支腿PID控制器，由PID控制器調節系統流量。圖8為經PID控制器后的輸出控制量變化曲線。在支腿快伸出到初始信號預設的距離時，伸出的速度越來越慢，以便于對平臺的控制達到較高的精度。在24.35s～32.7s內保持在某一位置不動，所以有桿腔的壓力在此段時間內為0且保持不變。最后一段曲線為支腿收回時的狀態，為了快速收回，所以有桿腔一直保持高壓狀態。其中33.15s附近無桿腔的壓力有個明顯的突變，由于當支腿在伸出達到目標位置后收回時，有桿腔開始輸入壓力油，無桿腔為出油口，支腿逐漸收回，這是支腿收回時的一個壓力變化現象。

圖7 調平系統支腿液壓缸壓力特性曲線

圖8 PID控制器輸出的控制量

3)支腿液壓缸伸出速度特性

圖9為仿真后得到的支腿液壓缸伸出速度特性曲線，從圖中可以看出，在前0.75s內支腿伸出速度波動劇烈，這是當支腿開始動作時，比例換向閥的打開對整個調平系統具有一定的沖擊，造成在開始的0.75s內短暫震蕩。由圖可知，在12.5s左右換向時，并未出現較大的震蕩和沖擊，在43.5s左右出現較為明顯的突起，是由于油液具有一定的慣性，在較大速度時，系統的控制會有一點微弱的滯后，所以在即將接近目標位置時，通過位移傳感器反饋回PID控制器后的輸出控制速度都會逐漸減弱，以便于系統對調平平臺更加精準的控制。

圖9 調平系統支腿速度特性曲線

4)支腿液壓缸位移響應和控制精度

為了更好的對比預設信號與實際位移的契合度。在圖10中給出了預設信號和支腿實際位移響應曲線。預設信號與支腿實際位移響應符合的很好。實際應用中，由于比例閥可實現無極調速，它所能達到的瞬時最小速度可以很小，在調平控制的末段，它能根據傾角傳感器的反饋信號實現非常微小的伸出，從而達到精確調平的目標。

圖10 調平系統支腿位移響應曲線

5 結論

1)設計研制了無人機發射調平平臺，提出了合理的調平方案。

2)基于AMEsim軟件環境建立了無人機發射平臺的液壓仿真模型，對所建立的無人機發射平臺調平系統進行仿真，得到液壓支腿的動態特性曲線，直觀的反映了平臺調平過程液壓回路狀態。

3)引入改進的PID增量控制閉環方式實現系統功能，可達到對平臺的高效率高精度控制。

4)此系統的魯棒性良好，該系統能適應調平平臺在復雜環境下的工作要求。